Какими свойствами обладают линии магнитной индукции
Подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электрическое поле, так и в пространстве окружающем токи, возникает особого вида поле, называемое магнитным полем.
Магнитное поле проявляется по силам, действующим на проводники с током, на движущиеся заряды или постоянные магниты.
Неподвижные электрические заряды не создают магнитное поле и постоянное магнитное поле не действует на неподвижные электрические заряды.
Опыт показывает, что неподвижный заряд и магнитная стрелка не влияют друг на друга.
При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него возникает магнитное поле, действующее на магнитную стрелку, которая стремится занять положение поперек проводника при взгляде сверху.
Опыт Эрстеда (1820 г.), показывающий действие магнитного поля проводника с током на магнитную стрелку.
Характеристики магнитного поля
I. Вектор магнитной индукции (В) – совпадает по направлению с силой, действующей на северный полюс магнитной стрелки.
II. Линии магнитной индукции – кривые, в каждой точке которых, вектор магнитной индукции В направлен по касательной.
Свойства линий магнитной индукции
1. Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники стоком.
2. Вблизи проводника линии магнитной индукции лежат в плоскости перпендикулярной проводнику с током.
3. Направление линий магнитной индукции определяется по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик по направлению тока, то направление вращения его рукоятки укажет направление линий магнитной индукции.
Магнитное поле прямолинейного проводника с током.
Правило буравчика обратимо и для круговых токов его удобно применять в следующей формулировке: если вращать рукоятку буравчика по направлению кругового тока, то поступательное движение острия буравчика укажет направление линий магнитной индукции.
Линии магнитной индукции полей постоянного магнита, прямого тока, кругового тока и катушки с током.
Обратите внимание на аналогию магнитных полей постоянного магнита и катушки с током. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, они нигде не обрываются. Это означает, что магнитное поле не имеет источников – магнитных зарядов. Силовые поля, обладающие этим свойством, называются вихревыми. Картину магнитной индукции можно наблюдать с помощью мелких железных опилок, которые в магнитном поле намагничиваются и, подобно маленьким магнитным стрелкам, ориентируются вдоль линий индукции.
III. Вектор напряженности магнитного поля H.
Согласно предположению французского физика А. Ампера, в любом теле существуют микроскопические (молекулярные) токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Эти токи создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях макроскопических токов (токов, текущих в проводниках). Так, если вблизи какого-то тела (среды) поместить проводник с током, то под действием его магнитного поля микротоки в атомах тела определенным образом ориентируются, создавая тем самым дополнительное магнитное поле. Поэтому вектор магнитной индукции B характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками, т.е. при одном и том же токе I и прочих равных условиях вектор B в различных средах будет иметь разные значения.
Магнитное поле, создаваемое макротоками, характеризуется вектором напряженности H. Для однородной изотропной среды связь между векторами индукции B и напряженности H магнитного поля определяется выражением
В =μ₀μН, где
магнитная постоянная, μ — магнитная проницаемость среды (безразмерная величина), показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков усиливается за счет поля микротоков данной среды.
Единица напряженности магнитного поля: 1 А/м — напряженность такого поля, магнитная индукция которого в вакууме равна 4π·10-7 Тл.
Магнитное поле создается движущимся зарядом. Это поле непрерывно в окружающем пространстве и обладает способностью оказывать силовое воздействие на другие электрические заряды, находящиеся в движении. Для характеристики способности магнитного поля оказывать силовое воздействие на движущиеся электрические заряды была введена физическая векторная величина — магнитная индукция B. По аналогии с электрическим магнитное поле, для наглядности, можно изображать посредством линий магнитной индукции.
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.
Ученые недавно узнали, что перелетные птицы ориентируются в пространстве с помощью магнитного поля Земли. У птиц возле глаз имеется небольшой “компас” — небольшое тканевое поле с кристаллами магнетита, которые могут намагничиваться в магнитном поле.
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.
Исследования показали, что линии напряженности магнитной индукции всегда замкнуты в отличие от линий напряженности электрического поля. Из этого фундаментального свойства следует, что в природе не существует магнитных зарядов, подобных электрическим. Магнитное поле возникает (индуцируется) от движущихся электрических зарядов или от переменного электрического поля.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что является источником магнитного поля. Магнитная индукция — основная силовая характеристика этого поля. 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.
Тест по теме
Оценка доклада
Средняя оценка: 3.9. Всего получено оценок: 82.
Êàê â ïðîñòðàíñòâå, îêðóæàþùåì ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä âîçíèêàåò ÝÏ, òàê è â ïðîñòðàíñòâå, îêðóæàþùåì òîêè è ïîñòîÿííûå ìàãíèòû, âîçíèêàåò ñèëîâîå ïîëå, íàçûâàåìîå ìàãíèòíûì (ÌÏ).
 1820ã. äàòñêèé ôèçèê Ýðñòåä îáíàðóæèë, ÷òî ïîëå, âîçáóæäàåìîå òîêîì, îêàçûâàåò îðèåíòèðóþùåå äåéñòâèå íà ìàãíèòíóþ ñòðåëêó.
Îïûò Ýðñòåäà çàêëþ÷àëñÿ â ñëåäóþùåì: íàä ìàãíèòíîé ñòðåëêîé íàòÿãèâàëàñü ïðîâîëîêà, ïî êîòîðîé ïðîïóñêàëè òîê. Ìàãíèòíàÿ ñòðåëêà ìîãëà âðàùàòüñÿ íà èãëå. Ïðè âêëþ÷åíèè òîêà ìàãíèòíàÿ ñòðåëêà ïîâîðà÷èâàëàñü è óñòàíàâëèâàëàñü ïåðïåíäèêóëÿðíî ê ïðîâîëîêå. Ïðè èçìåíåíèè íàïðàâëåíèÿ òîêà, ìàãíèòíàÿ ñòðåëêà ïîâîðà÷èâàëàñü â ïðîòèâîïîëîæíóþ ñòîðîíó è îïÿòü óñòàíàâëèâàëàñü ïåðïåíäèêóëÿðíî ê ïðîâîëîêå.
Èç îïûòà Ýðñòåäà âûòåêàåò, ÷òî ÌÏ èìååò íàïðàâëåííûé õàðàêòåð è äîëæíî õàðàêòåðèçîâàòüñÿ âåêòîðíîé âåëè÷èíîé, íàçûâàåìîé ìàãíèòíîé èíäóêöèåéè îáîçíà÷àåìîé .
Ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå äåéñòâóåò êàê íà íåïîäâèæíûå, òàê è íà äâèæóùèåñÿ çàðÿäû, à ÌÏ òîëüêî íà äâèæóùèåñÿ â ýòîì ïîëå çàðÿäû.
Âàæíåéøàÿ îñîáåííîñòü ÌÏ: îíî äåéñòâóåò òîëüêî íà äâèæóùèåñÿ çàðÿäû.
Äëÿ îáíàðóæåíèÿ ÝÏ â íåãî âíîñÿò ïðîáíûé çàðÿä. Äëÿ îáíàðóæåíèÿ ÌÏ â íåãî âíîñÿò ïðîâîäíèê ñ òîêîì (ïëîñêèé çàìêíóòûé êîíòóð ñ òîêîì) èëè ðàìêó ñ òîêîì, ëèíåéíûå ðàçìåðû ðàìêè ñ òîêîì ìàëû ïî ñðàâíåíèþ ñ ðàññòîÿíèåì äî òîêîâ, ïîðîæäàþùèõ ÌÏ.
ÌÏ äåéñòâóåò íà ðàìêó ñ òîêîì è ðàìêà ñ òîêîì ïîâîðà÷èâàåòñÿ. Îðèåíòàöèÿ êîíòóðà ñ òîêîì â ïðîñòðàíñòâå õàðàêòåðèçóåòñÿ íàïðàâëåíèåì íîðìàëè (), ò.å. çà íàïðàâëåíèå ÌÏ â äàííîé òî÷êå ïðèíèìàþò íàïðàâëåíèå ïîëîæèòåëüíîé íîðìàëè ê ðàìêå.
|
Ðèñ. 25.1 |
Çà ïîëîæèòåëüíîå íàïðàâëåíèå íîðìàëè ïðèíèìàåòñÿ íàïðàâëåíèå, ñâÿçàííîå ñ íàïðàâëåíèåì òîêà ïðàâèëîì ïðàâîãî âèíòà, ò.å. çà ïîëîæèòåëüíîå íàïðàâëåíèå ïðèíèìàåòñÿ íàïðàâëåíèå ïîñòóïàòåëüíîãî äâèæåíèÿ ïðàâîãî âèíòà, ãîëîâêà êîòîðîãî âðàùàåòñÿ â íàïðàâëåíèè òîêà, òåêóùåãî ïî ðàìêå (ðèñ. 25.1).
ÌÏ îêàçûâàåò íà êîíòóð ñ òîêîì (ðàìêó ñ òîêîì) ðèñ. 25.1. îðèåíòèðóþùåå äåéñòâèå, ïîâîðà÷èâàÿ åãî îïðåäåëåííûì îáðàçîì. Ýòîò ðåçóëüòàò ñâÿçàí ñ îïðåäåëåííûì íàïðàâëåíèåì ìàãíèòíîãî ïîëÿ.
|
Ðèñ. 25.2 |
Çà íàïðàâëåíèå èíäóêöèè ÌÏ () â äàííîé òî÷êå ïðèíèìàåòñÿ íàïðàâëåíèå, âäîëü êîòîðîãî ðàñïîëàãàåòñÿ ïîëîæèòåëüíàÿ íîðìàëü ê êîíòóðó ñ òîêîì.
Ïóñòü òîê òå÷åò ïî êîíòóðó ïðîòèâ õîäà ÷àñîâîé ñòðåëêè, òîãäà îñü ìàãíèòíîé ñòðåëêè, ïîìåùåííîé â ÌÏ, óñòàíàâëèâàåòñÿ âäîëü íàïðàâëåíèÿ ïîëÿ (îñü ìàãíèòíîé ñòðåëêè íàïðàâëåíà òàê, ÷òî ñîåäèíÿåò þæíûé ïîëþñ S ìàãíèòà ñ ñåâåðíûì N).
Íà ìàãíèòíóþ ñòðåëêó äåéñòâóåò ïàðà ñèë, ïîâîðà÷èâàþùàÿ åå äî òåõ ïîð, ïîêà îñü ñòðåëêè íå óñòàíîâèòñÿ âäîëü íàïðàâëåíèÿ ïîëÿ.
Âðàùàþùèé ìîìåíò, äåéñòâóþùèé íà ðàìêó ñ òîêîì ðàâåí:
. | (25.1) |
Âðàùàþùèé ìîìåíò çàâèñèò îò ñâîéñòâ ïîëÿ â äàííîé òî÷êå è ñâîéñòâ ðàìêè, ãäå âåêòîð ìàãíèòíîãî ìîìåíòà ðàìêè ñ òîêîì, âåêòîð ìàãíèòíîé èíäóêöèè.
, | (25.2) |
ìàãíèòíûé ìîìåíò ïëîñêîãî êîíòóðà ñ òîêîì, ãäå I ñèëà òîêà â êîíòóðå, S ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè êîíòóðà (ðàìêè), — åäèíè÷íûé âåêòîð íîðìàëè ê ïîâåðõíîñòè ðàìêè.
ì ↑↑ , ãäå íàïðàâëåíèå ïîëîæèòåëüíîé íîðìàëè ê ðàìêå.
Èíäóêöèÿ ÌÏ îïðåäåëÿåòñÿ òàê:
, | (25.3) |
èëè
. | (25.4) |
Âåêòîð ñèëîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà ÌÏ, íî ïî èñòîðè÷åñêèì ïðè÷èíàì åå íàçâàëè èíäóêöèåé ÌÏ.
ÌÏ ìîæíî èçîáðàæàòü ñ ïîìîùüþ ëèíèé ìàãíèòíîé èíäóêöèè ñèëîâûõ ëèíèé ÌÏ.
Ñèëîâûìè ëèíèÿìè ÌÏ íàçûâàþòñÿ ëèíèè, êàñàòåëüíûå ê êîòîðûì â êàæäîé òî÷êå ñîâïàäàþò ñ íàïðàâëåíèåì âåêòîðà .
Íàïðàâëåíèå ñèëîâûõ ëèíèé çàäàåòñÿ ïðàâèëîì ïðàâîãî âèíòà: îñòðèå âèíòà, äâèæåòñÿ ïî íàïðàâëåíèþ òîêà, à íàïðàâëåíèå âðàùåíèÿ ãîëîâêè âèíòà ïîêàçûâàåò íàïðàâëåíèå îáõîäà ïî ñèëîâûì ëèíèÿì.
|
Ðèñ. 25.3 |
Ñâîéñòâà ñèëîâûõ ëèíèé (ëèíèé ìàãíèòíîé èíäóêöèè) ÌÏ:
1) Ëèíèè ìàãíèòíîé èíäóêöèè âñåãäà çàìêíóòû è îõâàòûâàþò ïðîâîäíèêè ñ òîêîì.
(Ñèëîâûå ëèíèè ÝÑÏ ðàçîìêíóòû. Îíè íà÷èíàþòñÿ íà (+q) è çàêàí÷èâàþòñÿ íà (q)).
Ïîëå, ñèëîâûå ëèíèè êîòîðîãî çàìêíóòû, íàçûâàåòñÿ âèõðåâûì. ÌÏ — âèõðåâîå ïîëå. Èçîáðàçèì ëèíèè ìàãíèòíîé èíäóêöèè ïîëîñîâîãî ìàãíèòà. Ñèëîâûå ëèíèè âûõîäÿò èç ñåâåðíîãî ïîëþñà è âõîäÿò â þæíûé. Ðàçðåçàÿ ìàãíèò íà ÷àñòè, íåëüçÿ ðàçäåëèòü ïîëþñà ìàãíèòà. Âíóòðè (óñòàíîâëåíî íà îïûòå) ïîëîñîâûõ ìàãíèòîâ èìååòñÿ ìàãíèòíîå ïîëå, ñèëîâûå ëèíèè êîòîðîãî ÿâëÿþòñÿ ïðîäîëæåíèåì ñèëîâûõ ëèíèé âíå ìàãíèòà. Ò.å. ñèëîâûå ëèíèè ÌÏ ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ òîæå çàìêíóòû. Ñâîáîäíûõ ìàãíèòíûõ çàðÿäîâ íå ñóùåñòâóåò.
2) Ëèíèè ÌÏ íèêîãäà íå ïåðåñåêàþòñÿ. Èõ ãóñòîòà õàðàêòåðèçóåò âåëè÷èíó ìàãíèòíîé èíäóêöèè â äàííîé òî÷êå ïîëÿ. Ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ çàâèñèò îò ñâîéñòâ ñðåäû.
3) Äëÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñïðàâåäëèâ ïðèíöèï ñóïåðïîçèöèè:
. | (25.5) |
Ïîëå âåêòîðà , ïîðîæäàåìîå íåñêîëüêèìè äâèæóùèìèñÿ çàðÿäàìè (òîêàìè), ðàâíî âåêòîðíîé ñóììå ïîëåé , ïîðîæäàåìûõ êàæäûì çàðÿäîì (òîêîì) â îòäåëüíîñòè.
 ÑÈ åäèíèöåé èçìåðåíèÿ ìàãíèòíîé èíäóêöèè ÿâëÿåòñÿ òåñëà:
1 Òë = Äæ/À·ì² = Í·ì/À·ì² = Í/À·ì
Ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòüþ ñðåäû ÿâëÿåòñÿ áåçðàçìåðíàÿ âåëè÷èíà, ïîêàçûâàþùàÿ, âî ñêîëüêî ðàç ÌÏ â ñðåäå áîëüøå ÷åì ÌÏ â âàêóóìå:
, | (25.6) |
ãäå Â0 âåëè÷èíà ÌÈ â âàêóóìå, à Âñð âåëè÷èíà ìàãíèòíîé èíäóêöèè â ñðåäå.
Ãí/ì ìàãíèòíàÿ ïîñòîÿííàÿ.
Магнитное поле изображается силовыми линиями или линиями индукции – это линии, по касательным к которым располагаются магнитные стрелки.
За направление линии индукции применяется направление, которое указывает северный конец магнитной стрелки.
Направление линии индукции определяется правилом правого винта или правилом буравчика:
Поступательное движение винта совпадает с направлением тока, а вращательное движение с направлением линий индукции.
Свойства линий индукции:
а) линии индукции всегда замкнуты, т. е. носят вихревой характер (это говорит об отсутствие магнитных зарядов);
б) выходят из северного полюса и входят в южный;
в) нигде не пересекаются;
г) густота линий говорит об интенсивности магнитного поля.
Магнитное поле кольцевого тока и катушки с током.
а)
б)
Билет
Сила Ампера
Сила Ампера – это сила, которая действует на проводник с током в магнитном поле.
B – Магнитная индукция , если α = 90°.
Магнитная индукция — это силовая характеристика магнитного поля.
Она численно равна силе, действующей на проводник единичной длины, по которому течет единичный ток, если α = 90°.
[B]си =1 Тл (Тесла)
Направление силы Ампера определяется правилом левой руки:
Линии индукции входят в ладонь, четыре вытянутых пальца совпадают с направлением тока, а большой отогнутый показывает направление силы Ампера.
Применение:
а) электродвигатели;
б) измерительные приборы магнитоэлектрической системы.
Взаимодействие параллельных токов:
Билет
Сила Лоренца
Сила Лоренца – это сила, которая действует на движущийся заряд в магнитном поле.
-скорость заряда
q — заряд
α – угол между скоростью и магнитной индукцией
Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки.
Движение заряда в магнитном поле:
a) ⊥ ,
б) Если ⊥ , то траектория винтовая.
Сила Лоренца позволила определить состав радиоактивного излучения.
Используется в ускорителях элементарных частиц.
Билет
Магнитные свойства веществ.
По магнитным свойствам все вещества можно разделить на 3 группы:
| Диамагнетики | Парамагнетики | Ферромагнетики |
| Ослабляет внешнее магнитное поле, выталкивается из него. μ<1 | Усиливает внешнее магнитное поле, втягивается в него. μ>1 | Значительно усиливает магнитное поле, сильно втягивается. μ>>1 |
| Фосфор, сера, золото, серебро, медь. | Азот, платина | Никель, железо, кобальт и их соединения |
Свойства ферромагнетиков обусловлены наличием домен – областей самопроизвольного намагничивания.
а) Ненамагниченный ферромагнетик
б) Намагниченный ферромагнетик
Применение: создание сердечников электромагнитов.
Размагнитить ферромагнетик можно:
а) с помощью магнитного поля. График размагничивания – петля гистерезиса;
б) с помощью нагревания до точки Кюри.
железо – 770оС
никель – 360оС
Билет
Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея.
В 1820 г. Эрстед доказал, что электрическое поле может создать магнитное. Фарадей поставил обратную задачу: «Превратить магнетизм в электричество».
В 1831 г было открыто явление электромагнитной индукции.
Электромагнитная индукция – это явление возникновения электрического тока в замкнутой цепи, находящейся в переменном магнитном поле.
Опыты Фарадея:
а)
б)
Применение электромагнитной индукции:
Генератор – это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую (с применением магнитной энергии).
Трансформатор – электромагнитный прибор, который преобразовывает переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения
Основной закон электромагнитной индукции
ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока со знаком минус ( «-» говорит о направленности индукционного тока).
Магнитный поток
[Ф]си = 1 Вб (Вебер)
(для катушки )
Билет
Правило Ленца.
1. Это правило позволяет определить направление индукционного тока.
Индукционный ток всегда возникает такого направления, чтобы своим магнитным полем противодействовать причине его вызывающей.
2.Возникновение индукционного тока в прямолинейном проводнике, движущемся в магнитном поле.
Правило правой руки
позволяет определить индукционный ток.
Линии индукции входят в ладонь, большой палец совпадает со скоростью движения проводника, а 4 вытянутых пальца указывают направление индукционного тока.
Билет