Часть III. Электричество и магнетизм 2 страница

В произвольной точке М, удаленной от оси проводника на расстояние b (рис. 11), векторы от всех элементов проводника с током I имеют одинаковое направление, перпендикулярное плоскости чертежа («к нам»). Поэтому сложение векторов можно заменить сложением их модулей.

I

α

D

а

b

М

С

О

Рис. 11

По закону Био-Савара-Лапласа модуль вектора магнитной индукции в точке М поля, созданного элементом проводника с током I:

.

В качестве переменной интегрирования выберем угол , выразив через этот угол все остальные величины.

Из рисунка 11 следует, что , а с другой стороны, .

Тогда , а модуль вектора магнитной индукции в точке М:

.

Из прямоугольного треугольника DOM:

, откуда .

Следовательно, индукция dB, создаваемая элементом проводника dl с током I:

.

Теперь можно перейти к интегрированию:

.

Так как угол для прямого тока изменяется в пределах от до , то магнитная индукция поля прямого тока:

.

Следовательно,

.

Магнитное поле в центре кругового проводника с током. Для нахождения индукции магнитного поля в центре кругового проводника с током необходимо разбить этот проводник на элементы , причем все элементы проводника с током создают в центре кругового тока магнитные поля одинакового направления – вдоль нормали к плоскости витка (рис. 12).

R

α

Рис. 12

I

Поэтому сложение век­торов можно заменить сложением их модулей dB.

По закону Био-Савара-Лапласа модуль вектора :

.

Так как все элементы проводника перпендикулярны соответствующим радиусам-векторам (рис. 12), то sin a = 1 для всех элементов . Расстояния r для всех элементов проводника также одинаковые (r = R).

Тогда выражение для модуля вектора примет вид:

.

Теперь для нахождения модуля вектора можно перейти к интегрированию:

.

Следовательно, индукция магнитного поля B в центре кругового проводника радиусом R с током I:

.

Тема 4. Действие магнитного поля на проводник с током (закон Ампера) и на движущийся заряд (сила Лоренца)

Закон Ампера. На элемент проводника с током I, помещённый в магнитное поле с индукцией действует сила ( – сила Ампера): .

Рис. 13

I

I

Модуль вектора : ,

где – угол между векторами и .

Направление вектора можно определить по правилу левой руки: если силовые линии входят в ладонь, а четыре вытянутых пальца располагаются по току, то отведённый большой палец укажет направление силы Ампера (рис. 13, сила перпендикулярна плоскости рисунка).

q

q

Сила Лоренца. На заряд q, движущийся со скоростью в магнитном поле с индукцией , действует сила ( – сила Лоренца): .

Модуль вектора : ,

где α – угол между векторами и .

Рис. 14

Направление вектора может быть определено по правилу левой руки для движущихся положительных зарядов и по правилу правой руки для движущихся отрицательных зарядов: если силовые линии магнитного поля входят в ладонь, а четыре вытянутых пальца располагаются по скорости движения частицы, то отведённый большой палец укажет направление силы Лоренца (рис.14, сила перпендикулярна плоскости рисунка).

Тема. 5. Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного поля

Поток вектора магнитной индукции ( или магнитный поток) через произвольную площадку S характеризуется числом силовых линий магнитного поля, пронизывающих данную площадку S. Если площадка S расположенаперпендикулярно силовым линиям магнитного поля (рис. 15), то поток Ф_B

вектора индукции через данную площадку S: .

S

S

α

Рис. 15 Рис. 16

Если площадка S расположена неперпендикулярно силовым линиям магнитного поля (рис. 16), то поток Ф_B вектора индукции через данную площадку S:

,

где α – угол между векторами и нормали к площадке S.

dS

α

S

Рис. 17

Для того, чтобы найти поток Ф_B вектора магнитной индукции через произвольную поверхность S, необходиморазбить эту поверхность на элементарные площадки dS (рис. 17)иопределить элементарный поток вектора через каждую площадку dS по формуле: ,

где α – угол между векторами и нормали к данной площадке dS;

– вектор, равный по величине площади площадки dS и направленный по вектору нормали к данной площадке dS.

Тогда поток вектора через произвольную поверхность S равен алгебраической сумме элементарных потоков через все элементарные площадки dS, на которые разбита поверхность S, что приводит к интегрированию:

.

Теорема Гаусса для магнитного поля

S

Рис. 18

α

dS

Для произвольной замкнутой поверхности S (рис. 18) поток вектора индукции магнитного поля через эту поверхность S можно рассчитать по формуле:

.

С другой стороны, число линий магнитной индукции, входящих внутрь объема, ограниченного этой замкнутой поверхностью, равно числу линий, выходящих из этого объема (рис. 18). Поэтому, с учетом того, что поток вектора индукции магнитного поля считается положитель­ным, если силовые линии выходят из поверхности S, и отрицательным для линий, входящих в поверхность S, суммарный поток Ф_B вектора индукции через произвольную замкнутую поверхность S равен нулю, то есть:

,

что составляет формулировку теоремы Гаусса для магнитного поля.

Тема. 6. Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея

Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре в результате изменения магнитного потока, пронизывающего этот контур, называется явлением электромагнитной индукции. Возникновение индукционного электрического тока в контуре указывает на наличие в этом контуре электродвижущей силы, называемой электродвижущей силой (ЭДС) электро­магнитной индукции.

Согласно закону Фарадея, величина ЭДС электро­магнитной индукции определяется только скоростью изменения магнитного потока, пронизывающего проводящий контур, а именно:

величина ЭДС электро­магнитной индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего проводящий контур:

(закон Фарадея).

Направление индукционного тока в контуре определяется по правилу Ленца: индукционный ток в контуре всегда имеет такое направление, что создаваемое этим током магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшему этот индукционный ток.

Закон Фарадея с учетом правила Ленца можно сформулировать следующим образом: величина ЭДС электро­магнитной индукции в контуре численно равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром, то есть:

(закон Фарадея с учетом правила Ленца).

Тема 7. Циркуляция вектора магнитной индукции

Циркуляцией вектора магнитной индукции по произвольному замкнутому контуру L называется интеграл:

.

Для того, чтобы найти циркуляцию вектора магнитной индукции по произвольному замкнутому контуру L, необходимо выбрать направление обхода контура, разбить этот контур L на элементы , для каждого элемента рассчитать величину (a – угол между векторами и ), а затем все эти величины сложить, что приводит к искомому интегралу.

Однако циркуляцию вектора по произвольному замкнутому контуру L можно рассчитать, используя теорему о циркуляции вектора .

Теорема о циркуляции вектора : циркуляция вектора по произвольному замкнутому контуру L равна произведению магнитной постоянной m ₀ на алгебраическую сумму токов, охватываемых этим контуром L:

,

где n – число проводников с токами, охватываемых контуром L. Положительным считается ток, направление которого образует с направлением обхода по контуру правовинтовую систему; ток противоположного направления считается отрицательным.

Величина , где a – угол между векторами и может быть записана в виде скалярного произведения векторов и , то есть, как , а полученное соотношение для циркуляции вектора примет вид:

.

Магнитное поле претерпевает изменения при переходе из одного вещества в другое, что определяется магнитными свойствами вещества, которые характеризуются величиной магнитной проницае­мости среды (m).

Кроме вектораиндукции магнитного поля, учитывающего магнитные свойства вещества, для описания магнитного поля введен также и вектор напряженности магнитного поля, причем для однород­ной изотропной среды вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности магнитного поля следующим соотношением:

,

где m ₀ – магнитная постоянная, m – магнитная проницае­мость среды.

Поскольку для вакуума m = 1, то с учетом приведенного соотношения может быть получена циркуляция вектора напряженности по произвольному замкнутому контуру L в следующем виде:

,

то есть циркуляция вектора по произвольному замкнутому контуру L равна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром L.

Сравнивая векторные характеристики электростатического ( и ) и магнитного ( и ) полей, следует отметить, что аналогом вектора напряженности электростатического поля является вектор магнитной индукции , так как векторы и определяют силовые действия этих полей и зависят от свойств среды, а аналогом вектора электрического смещения является вектор напряженности магнитного поля.

Дата добавления: 2015-05-26