Магнитное поле

Магнитное поле

Постоянные магниты (магниты) – тела, способные длительное время сохранять намагниченность (создавать в окружающем пространстве магнитное поле).

Намагниченность тела объясняется циркулирующими внутри каждого атома электрическими токами (орбитальными движениями электронов).

Полюсы магнита – те места тела, где обнаруживаются наиболее сильные магнитные действия. Обычно у постоянного магнита есть два полюса, называемые северным и южным, по географической ориентации магнитной стрелки. Постоянные магниты одноимёнными полюсами отталкиваются, разноимёнными – притягиваются.

С помощью железных опилок можно получить представление о виде магнитного поля постоянных магнитов.

В первой половине XIX века французский физик Ампер открыл взаимодействие параллельных проводников с токами: проводники с токами одного направления притягиваются, встречных направлений – отталкиваются. Датский физик Эрстед показывал взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки – магнитная стрелка ориентируется около проводника.

Для описания взаимодействия токов Ампер предложил использовать магнитное поле.

Магнитное поле – материальная среда, окружающая электрические токи и постоянные магниты, являющаяся посредником действия одного движущегося заряда на другой движущийся заряд и передающая это действие с конечной скоростью.

Идея Ампера: любой движущийся электрический заряд (электрический ток) создаёт во всём окружающем его пространстве материальный объект – магнитное поле, которое действует на другие движущиеся электрические заряды (электрические токи) с некоторой магнитной силой.

Свойства магнитного поля:

- порождается электрическим током (движущимися зарядами);

- обнаруживается по действию на электрический ток

(на движущиеся заряды);

- существует реально и независимо от нас.

Рамка с током ориентируется в магнитном поле определенным образом, возникает вращающий момент М, при этом отношение момента к произведению силы тока к площади рамки есть величина постоянная.

В =

Эта величина - вектор магнитной индукции
- силовая характеристика магнитного поля.

В системе СИ магнитная индукция измеряется в Теслах:

1 Тл = 1 Н / А∙м

Для графического изображения полей используются линии магнитной индукции

Линии магнитной индукции (ЛМИ) всегда замкнутые и не пересекаются.

Направление вектора магнитной индукции определяется правилом буравчика

Если движение острия буравчика с правой резьбой совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением вращения рукоятки буравчика.

Сила Ампера – сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.

Модуль силы Ампера определяется по формуле:

F_А = B∙I∙L∙sin α,

где B – модуль вектора магнитной индукции, I – сила тока в проводнике, L – длина проводника, α – угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока в проводнике.

Направление силы Ампера определяется правилом левой руки:

если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока в проводнике, то отогнутый под прямым углом в плоскости ладони большой палец покажет направление действия силы Ампера.

Сила Лоренца – сила, с которой магнитное поле действует на движущийся электрический заряд.

Модуль силы Лоренца определяется по формуле:

F_л = B∙|q|∙υ∙sin α,

где B – модуль вектора магнитной индукции, q – величина заряда, υ – модуль скорости заряда, α – угол между направлением вектора магнитной индукции и вектора скорости заряда.

Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки:

если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца совпадали с направлением движения заряда, то отогнутый под прямым углом большой палец покажет направление действия силы Лоренца.

Магнитный поток – произведение модуля вектора магнитной индукции B на площадь поверхности S и на косинус угла α между вектором магнитной индукции и вектором нормали (перпендикуляра) к поверхности.

Ф = B∙S ∙cos α

Магнитный поток измеряется в Веберах

[Ф] = Тл∙м² = Вб.

Магнитный поток – энергетическая характеристика магнитного поля.

На рисунках магнитный поток пропорционален числу силовых линий магнитного поля, пронизывающих поверхность.

Электромагнитная индукция – явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Возникающий в контуре ток называют индукционным.
Явление электромагнитной индукции наблюдается в опыте Фарадея.

Если в катушку, соединённую с гальванометром, вдвигать (или выдвигать) постоянный магнит, то стрелка гальванометра будет отклоняться.

Значит, в катушке индуцируется электрический ток. Причём, ток будет тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки.

Закон электромагнитной индукции:

ЭДС индукции Е_инд, возникающая в контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока ΔФ/Δt, пронизывающего этот контур:

Е_инд= - ΔФ/Δt

Минус в формуле закона показывает, что ЭДС индукции препятствует изменениям, происходящим в контуре (правило Ленца).

Если контур состоит из N последовательно соединённых витков (катушка), которые пронизываются одним и тем же магнитным потоком, то ЭДС индукции в контуре равна:

Е_инд= - N∙ΔФ/Δt

Направление индукционного тока определяет правило, сформулированное в первой половине XIX века русским физиком Ленцем.

Правило Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление, при котором созданное им индукционное магнитное поле компенсирует то изменение магнитного потока, которое порождает этот индукционный ток.

Принцип компенсации в правиле Ленца подтверждается при наблюдении взаимодействия замкнутого алюминиевого кольца с постоянным магнитом.

Кольцо всегда движется в ту же сторону, что и магнит. На рисунке показан момент приближения магнита, от которого кольцо отталкивается.

Самоиндукция – явление электромагнитной индукции в замкнутом контуре, возникающее при изменении электрического тока, протекающего в этом контуре.

Закон самоиндукции:

Е_си = - L∙ΔI/Δt ,

где Е_си – ЭДС самоиндукции, L – индуктивность контура, ΔI/Δt – скорость изменения силы тока в контуре.

Минус в формуле закона самоиндукции показывает, что ЭДС самоиндукции препятствует изменению силы тока в контуре, что является следствием правила Ленца.

L = E_c_и ∙ Δt / ΔI

Индуктивность показывает величину ЭДС самоиндукции, возникающую в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с. В системе СИ измеряется в Генри.

При этом собственный магнитный поток всегда прямо пропорционален силе тока, порождающего этот поток.

Φ_с = L∙I

Индуктивность – коэффициент пропорциональности между силой тока в контуре и создаваемым этим током магнитным потоком через контур.

Индуктивность – величина, зависящая от геометрических размеров контура и магнитных свойств среды.

Магнитное поле обладает энергией. Энергия магнитного поля, создаваемого током I, протекающим в проводнике индуктивностью L, определяется по формуле:

W = .

О переменном токе, генераторах переменного тока, трансформаторах прочитайте самостоятельно в учебнике Самойленко И.С. «Естествознание. Физика», с. 178 – 184.

«Издательский центр «Академия», 2018 г., с. 178 – 187.