Магнитное поле, магнитная индукция. Силовые линии. Магнитная проницаемость

Ток, сила тока, плотность тока

Электрическим током называется упорядоченное движение свободных зарядов в веществе. За направление тока принимается направление движения положительных зарядов.

Электрический ток возникает в проводнике, между концами которого поддерживается электрическое напряжение (U).

Количественно электрический ток характеризуют с помощью специальной величины — силы тока.

Силой тока в проводнике называется скалярная величина, показывающая, какой заряд проходит через поперечное сечение проводника за 1 с:

I = q/t, [А (ампер)].

Для того чтобы показать распределение тока в проводниках сложной формы, используют плотность тока (j).

Плотность тока в проводнике равна отношению силы тока к площади сечения проводника:

j = I/S, [А/м2)].

Связь между силой тока и напряжением устанавливает закон Ома:

I = U/R, (6)

здесь R - характеристика проводника, называемая сопротивлением.

Единица измерения — Ом.

Величина сопротивления проводника зависит от его материала, формы и размеров. Для цилиндрического проводника сопротивление прямо пропорционально его длине (l) и обратно пропорционально площади поперечного сечения (S):

R =ρ l /S, (7)

Коэффициент пропорциональности ρ называется удельным электрическим сопротивлением материала проводника; его размерность Ом∙м.

Протекание тока по проводнику сопровождается выделением теплоты. Количество теплоты, выделившейся в проводнике за время t, вычисляют по формулам

Q = I²Rt = U²t/R, [Дж] (8)

Количество теплоты, выделившейся в проводнике за единицу времени, называют тепловой мощностью тока (Р):

Р = I²R = U²/R, [Вт] (9)

Магнитное поле есть форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие движущихся электрических зарядов.

В микромире магнитные поля создаются отдельными движущимися заряженными частицами. При хаотическом движении заряженных частиц в веществе их магнитные поля компенсируют друг друга и магнитное поле в макромире не возникает. Если движение частиц в веществе каким-либо образом упорядочить, то магнитное поле появляется и в макромире. Например, магнитное поле возникает вокруг любого проводника с током. Особым упорядоченным вращением электронов в некоторых веществах объясняются и свойства постоянных магнитов.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В. Единица магнитной индукции — тесла ( Тл).

Магнитное поле графически изображается с помощью линий магнитной индукции (магнитные силовые линии). Касательные к силовым линиям показывают направление вектора В в соответствующих точках. Густота линий пропорциональна модулю вектора В. В отличие от силовых линий электростатического поля, линии магнитной индукции замкнуты (рис. 4).

Рис.4. Магнитные силовые линии

Зная величину магнитной индукции (В) в данном месте, можно вычислить силу, действующую со стороны магнитного поля на проводник с током или движущийся заряд.

а) Сила Ампера, действующая на прямолинейный участок проводника с током, перпендикулярна как направлению В, так и проводнику с током

(рис. 5, а):

(10)

где I — сила тока; l — длина проводника; α — угол между направлением тока и вектором В.

б) Сила Лоренца, действующая на движущийся заряд, перпендикулярна как направлению В, так и направлению скорости заряда

(рис. 5, б):

(11)

где q— величина заряда; υ — его скорость; α— угол между направлением υ и В.

Подобно тому как диэлектрик, помещенный во внешнее электрическое поле, поляризуется и создает собственное электрическое поле, любое вещество, помещенное во внешнее магнитное поле, намагничивается и

Рис.5. Силы Ампера (а) и Лоренца (б)

создает собственное магнитное поле. Поэтому величина магнитной индукции внутри вещества (В) отличается от величины магнитной индукции в вакууме (В₀). Магнитная индукция в веществе выражается через магнитную индукцию поля в вакууме по формуле

(12)

где μ — магнитная проницаемость вещества. Для вакуума μ = 1.

Магнитная проницаемость вещества (μ) — безразмерная величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в веществе изменяется по сравнению с индукцией магнитного поля в вакууме.

По способности к намагничиванию вещества делятся на три группы:

1) диамагнетики, у которых μ < 1 (вода, стекло и др.);

2) парамагнетики, у которых μ > 1 (воздух, эбонит и др);

3) ферромагнетики, у которых μ» 1 (никель, железо и др.).

У диа- и парамагнетиков отличие магнитной проницаемости от единицы весьма незначительно (~0,0001). Намагниченность этих веществ при удалении из магнитного поля исчезает.

У ферромагнетиков магнитная проницаемость может достигать нескольких тысяч (например, у железа μ = 5 000-10 000). При удалении из магнитного поля намагниченность ферромагнетиков частично сохраняется. Ферромагнетики используют для изготовления постоянных магнитов.

Дата добавления: 2015-06-04