Что такое линии магнитной индукции и каким свойством они обладают

Как возникает магнитное поле

В начале ХIХ века датский физик Ханс Эрстед и французский исследователь Андре Ампер экспериментально открыли явления, объяснить которые удалось только с помощью введения нового понятия, названного магнитным полем.

Рис. 1. Опыты Эрстеда и Ампера, демонстрирующие наличие магнитного поля.

Последовавшие вслед за этими опытами многочисленные исследования подтвердили существование нового поля, названного магнитным, которое обладает следующими основными свойствами:

• Магнитное поле возникает только в результате движения электрических зарядов;
• Это поле непрерывно в пространстве и обладает способностью оказывать силовое воздействие на другие электрические заряды, находящиеся в движении;
• Постоянное магнитное поле существует у природных магнитных тел, но и в этом случае причиной возникновения поля является непрерывное движение молекулярных токов (вихрей) в массе вещества;
• Магнитное поле можно создать также с помощью переменного электрического поля.

Магнитная индукция

Магнитное поле обнаруживается в виде силового воздействия на электрические заряды (одиночные или в виде токов в различных веществах), движущиеся с некоторой скоростью. Для количественной характеристики силовых возможностей магнитного поля введена физическая величина B, названная магнитной индукцией. Величина является векторной, то есть кроме модуля (абсолютной величины) характеризуется направлением.

Для прямолинейного проводника, по которому течет ток I, модуль магнитной индукции равен частному от деления модуля силы Ампера F, действующей на проводник, к силе тока I и его длине L:

$ B = { Fover { I * L } } $ (1).

Для рамки (контура) площадью S, на которую в магнитном поле действует момент силы М, модуль магнитной индукции В равен:

$ В = { Мover { I * S } } $ (2).

Направление вектора

Наглядно продемонстрировать силовые линии магнитного поля можно, если на стеклянный лист, сквозь который пропущен проводник с током, равномерно (в один слой) разложить мелкие железные опилки. После включения тока опилки намагничиваются, то есть приобретают свойства магнитных стрелок и устанавливаются вдоль силовых линий поля . Таким образом результат действия магнитного поля на магнитные стрелки (железные опилки) или рамку с током можно применить для определения направления вектора магнитной индукции .

Рис. 2. Демонстрация силовых линий магнитного поля от прямого провода с током с помощью железных опилок.

Направлением вектора магнитной индукции принято считать направление от южного полюса S к северному полюсу N магнитной стрелки, которая ориентируется беспрепятственно и устанавливается в магнитном поле.

Это направление совпадает с направлением положительной нормали (перпендикуляра) к замкнутому контуру с током. Для определения этого направления применяется “правило буравчика”, которое звучит так: вектор направлен в ту сторону, куда перемещалась бы рукоятка буравчика (с правой резьбой) если ввинчивать его по направлению тока в рамке (или в проводе).

Визуальное (графическое) представление магнитного поля получается, если начертить так называемые линии магнитной индукции. Линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной, называется линией магнитной индукции или линией напряженности магнитной индукции. Картину линий магнитной индукции для постоянных магнитов, рамки с током и катушки можно сделать видимой, снова воспользовавшись мелкими железными опилками как в случае с прямолинейным проводом.

Рис. 3. Линии магнитной индукции катушки, рамки с током, постоянных магнитов.

Тест по теме

Что такое силовые линии

Выдающийся английский физик Майкл Фарадей (1791-1867), исследовавший природу электромагнитного поля, первым сформулировал понятие силовых линий для электрического и магнитного полей.

Силовые линии магнитного поля обладают следующими основными свойствами:

• Силовые линии — это графическая визуализация (“картина”) изображения силового поля;
• Силовые линии заполняют пространство таким образом, что касательные к ним в каждой точке пространства совпадают по направлению с вектором магнитной индукции;
• Через каждую точку проходит только одна силовая линия;
• Плотность (густота) силовых линий, пронизывающих единичную перпендикулярную площадь, пропорциональна модулю магнитной индукции B на этой площади;
• Силовые линии магнитного поля всегда замкнуты, поскольку магнитное поле является полем вихревого типа. Вихревыми называются любые поля, имеющие замкнутые силовые линии.

Примеры силовых линий

Наглядное представление о силовых линиях магнитного поля можно получить, если на плоский стеклянный лист, сквозь который пропущен проводник с током, равномерно (в один слой) разложить мелкие железные опилки или опилки из другого ферромагнетика (никеля, кобальта и т.п.). Включение тока приводит к появлению магнитного поля, в котором опилки намагничиваются, то есть становятся “магнитными стрелками” и выстраиваются вдоль силовых линий поля .

Рис. 1. Демонстрация силовых линий магнитного поля от прямого провода с током с помощью железных опилок.

Видно, что силовые линии представляют собой концентрические окружности, которые расположены в плоскости перпендикулярной проводнику. Центры всех окружности лежат на оси проводника.

Следующий пример — силовые линии магнитного поля, которое создает обычный полосовой постоянный магнит.

Рис. 2. Демонстрация силовых линий магнитного поля от полосового магнита с помощью железных опилок.

Направлением вектора магнитной индукции принято считать направление от южного полюса S к северному полюсу N. Хорошо видно, что силовые линии имеют максимальную концентрацию вблизи полюсов N и S. Направления силовых линий магнитного поля имеют сложную геометрическую форму, но все линии непрерывны и замкнуты. Внутри магнита плотность (густота) силовых линий максимальна, а поле однородно. Магнитное поле является однородным, когда магнитная индукция постоянна, то есть = const.

Еще один пример — это соленоид, то есть катушка, изготовленная с помощью намотки гибкого проводника, сохраняющего форму (например, из медной проволоки).

Рис. 3. Демонстрация силовых линий магнитного поля от соленоида.

Оказывается картина силовых линий соленоида очень похожа на силовые линии, которые создаются постоянным полосовым магнитом. Видно, что внутри катушки магнитное поле близко к однородному.

Тест по теме

Немного из истории магнетизма

Исследование явления магнетизма началось много веков назад, когда еще в VI в. до н.э. в древнем Китае были обнаружен камни (горная порода), которые притягивали к себе железные предметы. В 1269 г. французский исследователь Петр Перегрин разместил на поверхности постоянного сферического магнита маленькие стальные иголки и увидел, что они расположились не хаотично, а по определенным линиям, которые пересекались в двух точках, названных “полюсами” по аналогии с географическими полюсами Земли. Можно сказать, что это была первая “визуализация” магнитных линий.

Только в 1845 г. английский физик Майкл Фарадей для понимания сути магнитных явлений сформулировал понятие “магнитного поля”. Он считал, что как электрическое, так и магнитное взаимодействия осуществляются посредством невидимых полей — электрического и магнитного. Магнитное поле непрерывно в пространстве и способно действовать на движущиеся заряды.

Основные признаки и свойства магнитных линий

Магнитное поле существует вокруг постоянных магнитов (полосовых, дугообразных или иной формы) и вокруг металлического провода, по которому течет электрический ток.

Магнитное поле изображается в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукция — это некая геометрическая кривая, в любой точке которой вектор (направление) магнитной индукции направлен по касательной к ней.

Можно выделить основные свойства магнитных линий:

• Магнитные линии непрерывны;
• Магнитные линии всегда замкнуты. Это означает, что в природе не существует отдельных магнитных зарядов по аналогии с электрическими зарядами. Исследователи долго пытались найти этот заряд с помощью уменьшения (дробления) размеров постоянных магнитов. Но даже самый микроскопический магнитик всегда имеет два полюса: северный и южный;
• Направление магнитных линий зависит от направления электрического тока;
• Густота (плотность) линий соответствует величине поля: чем гуще (плотнее) расположены линии, тем больше значение поля.

Магнитные линии полосового магнита

С помощью простого эксперимент можно продемонстрировать свойства магнитных линий. Полосовой магнит кладется на горизонтальную поверхность, на него сверху — прозрачная (неметаллическая) пластинка, на которую насыпают мелкие железные опилки. Под действием магнита опилки намагничиваются и становятся как бы магнитными стрелочками. Видно, что опилки располагаются вдоль магнитных линий, которые выходят из северного полюса N и входят в южный полюс S. Гуще всего линии расположены в районе полюсов магнита.

Рис. 1. Магнитные линии полосового магнита

Магнитные линии дугообразного магнита

По аналогичной схеме можно поставить эксперимент с дугообразным магнитом.

Рис. 2. Магнитные линии дугообразного магнита.

Видно, что по всему магниту магнитные линии начинаются на северном полюсе и оканчиваются на южном.

Магнитные линии прямого провода с током

Используем такую же схему эксперимента для прямого провода, по которому течет электрический ток. В данном случае можно заменить прозрачную пластину на кусок картона или фанеры.

Рис. 3. Магнитные линии прямого провода с током.

Видно, что опилки выстраиваются по концентрическим окружностям, показывая форму магнитных линий. При изменении направления тока опилки поворачиваются на 1800. Следовательно, направление магнитных линий в данном случае связано с направлением тока в проводнике.

Тест по теме