Магнитное поле. Магнетизм

Магнитное поле окружает движущиеся элементарные заряженные частицы, и связано с ними. В проводнике с током и в пространстве вокруг него магнитное поле создается этим током.

Внутри постоянного магнита и вокруг него магнитное поле создается внутриатомным и внутримолекулярным движением элементарных заряженных частиц – например, движением электронов вокруг ядра атома.

3.1 Закон Ампера

Магнитное поле обнаруживается благодаря магнитным явлениям: притяжению и отталкиванию проводов с токами или намагниченных тел, действию проводника с током на магнитную стрелку, электромагнитной индукции.

Магнитное поле прямолинейного тока наблюдают, продев сквозь расположенный горизонтально лист картона вертикальный прямолинейный провод, представляющий собой часть электрической цепи. Опилки-стрелочки при замыкании тока в цепи и после легкого постукивания по листу образуют цепочки в виде окружностей с общим центром на оси тока. Поэтому магнитное поле электрического тока графически изображают ввиде линий магнитной индукции, аналогичных линиям напряженности электростатического поля. Линии магнитной индукции представляют собой окружности с центрами на оси тока, расположенные в плоскостях, перпендикулярных направлению тока.

Их направление определяют по правилу правого винта:

при поступательном движении винта в направлении тока его вращение указывает направление магнитного поля этого тока.

Различие между линиями магнитной индукции и линиями напряженности электростатического поля: первые замкнуты и окружают электрический ток; вторые – разомкнуты, начинаются на поверхности положительно заряженных тел и оканчиваются на поверхности отрицательно заряженных.

Магнитное поле витка с током, или контура тока, показано рисунке (кружок с точкой означает, что в этом сечении ток направлен перпендикулярно плоскости рисунка к нам, а кружок с крестом - что ток направлен от нас). Направление линий магнитной индукции вдоль оси витка укажет магнитная стрелка, помещенная в его центре. Две противоположные стороны обтекаемой током поверхности можно сопоставить с двумя полюсами магнитной стрелки: сторону, из которой линии магнитной индукции выходят – с северным полюсом магнитной стрелки, а в которую они входят – с южным.

Направление магнитного поля витка с током можно определить также по правилу правого винта:

если поместить острие винта в центре витка и вращать винт в направлении тока, то его поступательное движение укажет направление линий магнитной индукции.

Таким образом, существует взаимная связь направления тока в замкнутом проводнике и его магнитного поля, их «сцепленность».

Линии магнитной индукции катушки с током, или соленоида, входят в катушку со стороны ее южного магнитного полюса и выходят из северного. Внутри катушки, длина которой во много раз больше ее диаметра, магнитное поле однородно, т. е. линии магнитной индукции параллельны и плотность их одинакова.

Магнитное поле постоянного магнита можно наблюдать, насыпав железные опилки на лист картона, положенный на магнит. Вне прямого магнита оно похоже на магнитное поле катушки с током. С помощью железных опилок можно наблюдать магнитное поле только вне постоянного магнита.

Но линии магнитной индукции продолжаются и внутри постоянного магнита и замыкаются, как показано на рисунке. Из средней линии, проведенной через так называемую нейтральную область магнита, не выходят и не входят линии индукции. К нейтральной области магнита железные и стальные предметы не притягиваются.

В основе этих проявлений лежит характерное свойство магнитного поля – силовое действие на движущиеся заряженные частицы. Силы взаимодействия магнитного поля с движущимися заряженными частицами (токами) называются электромагнитными.

Для изучения магнитного поля, нужны какие-то количественные оценки. Для установления этих оценок изучалось силовое взаимодействие двух проводов с токами.

Опыт показывает, что на каждый из двух проводов действуют силы, притягивающие друг к другу провода с одинаковым направлением токов, и отталкивающие провода с противоположными направлениями токов.

Магнитные поля двух проводов размещаются в одной и той же области пространства. Поэтому можно считать, что они накладываются друг на друга, образуя общее магнитное поле. Когда через один из проводов ток перестает протекать, другой провод остается наедине со своим полем.

Когда создается общее магнитное поле, притяжение или отталкивание проводов можно рассматривать как результат силового воздействия этого поля на движущиеся заряды в проводах.

Количественные соотношения такого действия определены законом Ампера.

Величина силы взаимодействия между двумя элементами тока в вакууме пропорциональна произведению элементов тока и обратнопропорциональна квадрату расстояния между ними.

Похоже на закон Кулона?

Элементом тока называется произведение Idl, где dl – длина участка провода с током I, весьма малая по сравнению с расстоянием от него до точек, в которых рассматривается магнитное поле тока I. При этом диаметр провода тоже весьма мал.

Если элементы тока расположены параллельно, то сила взаимодействия между ними:

(1),

где I₁dl₁ и I₂dl₂ – элементы токов; α – угол между направлением тока и прямой, соединяющей элементарные токи; 1/4π – коэффициент пропорциональности в системе СИ, а µ₀ – магнитная проницаемость вакуума или магнитная постоянная.

В системе СИ магнитная постоянная µ₀ = 4π ·10^-7 (Гн/м); Генри – единица индуктивности.

Заметим, что формула (1) справедлива и для магнитного поля в других средах, только для них применяется относительная магнитная проницаемость, значения для различных материалов приведены в справочниках.

3.2 Магнитная индукция

Предположим, что элемент линейного тока I₂dl₂ столь мал, что его поле практически не изменяет поле тока I₁. Тогда этот элементарный ток можно рассматривать как пробный элемент, служащий для регистрации электромагнитной силы.

Значение силы тока I₁ определяет интенсивность магнитного поля: чем больше ток, тем «сильнее» его магнитное поле.

Для оценки интенсивности магнитного поля введено понятие магнитная индукция В.

Магнитная индукция – векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Она равна отношению силы, действующей на заряженную частицу к произведению заряда q и скорости частицы v, направленной так, что эта сила максимальна

(2)

Мы знаем, что сила тока I = q/t, или, за малый промежуток времени q = Idt. Скорость движения заряда v = dl/dt. Значит qdl – элемент тока (в нашем случае I₂dl₂).

Уточним выражение (2) с учетом сказанного и выражения (1)

- закон Био-Савара

был открыт французскими учёными Ж. Б. Био (J. В. Biot) и Ф. Саваром (F. Savart) в 1820 и сформулирован в общем виде П. Лапласом (P. Laplace)

По этому закону магнитную индукцию проводника с током в заданной точке можно вычислить, зная величину тока.

Реальные проводники редко бывают прямыми. Поэтому магнитное поле в окружающем проводник пространстве создается не только выбранным элементом тока, но и другими элементами, на которые может быть разделен реальный проводник. Магнитная индукция В в заданной точке поля является векторной суммой элементарных векторов dB.

Единица измерения магнитной индукции Тесла (Тл)

3.3 Проводник с током в магнитном поле

Подвесим горизонтальный прямолинейный проводник АС, являющийся частью электрической цепи, между полюсами широкого постоянного подковообразного магнита. Магнитное поле между полюсами магнита направлено сверху вниз. При замыкании цепи магнитные поля тока и магнита начинают взаимодействовать. Если ток в проводнике течет от А к С, как показано на рисунке, то проводник АС втягивается в промежуток между полюсами магнита, занимая положение А1С1, если же направление тока изменить на обратное, то проводник АС выталкивается из этого промежутка.

Следовательно, сила, с которой внешнее магнитное поле действует на прямолинейный проводник с током, расположенный перпендикулярно линиям магнитной индукции этого поля, направлена перпендикулярно как к линиям индукции, так и к проводнику. Направление этой силы определяется правилом левой руки:

если положить левую руку на проводник так, чтобы четыре пальца указывали направление тока, а линии магнитной индукции входили в ладонь, то отогнутый большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

В равномерном магнитном поле на элемент длины провода в любом месте действует одинаковая электромагнитная сила. Поэтому на основании известных нам формул для участка провода в пределах однородного магнитного поля можно записать:

F_м = B I l

Если провод располагается так, что между направлениями вектора магнитной индукции и направлением тока угол α ≠ 90⁰, то электромагнитная сила определяется той же формулой, но вместо полной длины провода, берется его проекция на направление, перпендикулярное направлению поля:

F_м = B I l sin α

Ясно, что при α = 0, т.е если проводник расположен вдоль линий магнитной индукции, сила на проводник с током действовать не будет

Сравнительная таблица магнитного и электрического полей.

Свойство, характеристика	Магнитное поле	Электрическое поле
Источник	Электрический ток (заряд в движении)	Заряд, q
Взаимодействие между источниками поля	Закон Ампера:	Закон Кулона:
Сопротивление среды полю	Относительная магнитная проницаемость µ	Относительная диэлектрическая проницаемость ε
Силовая характеристика поля	Магнитная индукция:	Напряженность:
Графическое изображение поля	Линии магнитной индукции	Линии напряженности
Направление линий поля	Замкнутые линии магнитной индукции вокруг тока (движущегося заряда). Направление определяется правилом буравчика.	Имеют начало на положительном заряде или в бесконечности, окончание на отрицательном заряде или в бесконечности
Правила построения линий поля	Строится так, что по касательной к каждой точке линии направлены векторы магнитной индукции	Строится так, что по касательной к каждой точке линии направлены векторы напряженности поля
Однородное поле	В соленоиде, длина которого значительно превышает его диаметр. Между полюсами широкого С-образного постоянного магнита	Между заряженными пластинами, величина которых значительно превышает расстояние между ними

Дата добавления: 2014-01-04