Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказал о магнитном поле и немного остановился на его параметрах.
Данная статья продолжает тему магнитного поля и посвящена такому параметру как магнитная индукция.
Для упрощения темы я буду рассказывать о магнитном поле в вакууме, так как различные вещества имеют разные магнитные свойства, и как следствие необходимо учитывать их свойства.
Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.
Закон Био – Савара – Лапласа
В результате исследования магнитных полей создаваемых электрическим током, исследователи пришли к таким выводам:
- магнитная индукция, создаваемая электрическим током пропорциональна силе тока;
- магнитная индукция имеет зависимость от формы и размеров проводника, по которому протекает электрический ток;
- магнитная индукция в любой точке магнитного поля зависит от расположения данной точки по отношению к проводнику с током.
Французские учёные Био и Савар, которые пришли к таким выводам обратились к великому математику П. Лапласу для обобщения и вывода основного закона магнитной индукции.
Он высказал гипотезу, что индукция в любой точке магнитного поля, создаваемое проводником с током можно представить в виде суммы магнитных индукций элементарных магнитных полей, которые создаются элементарным участком проводника с током.
Данная гипотеза и стала законом магнитной индукции, называемого законом Био – Савара – Лапласа. Для рассмотрения данного закона изобразим проводник с током и создаваемую им магнитную индукцию
Тогда магнитная индукция dB элементарного магнитного поля, которое создается участком проводника dl, с током I в произвольной точке Р будет определяться следующим выражением
- где I – сила тока, протекающая по проводнику,
- r – радиус-вектор, проведённый от элемента проводника к точке магнитного поля,
- dl – минимальный элемент проводника, который создает индукцию dB,
- k – коэффициент пропорциональности, зависящий от системы отсчёта, в СИ k = μ0/(4π)
- Так как [dl r] является векторным произведением, тогда итоговое выражение для элементарной магнитной индукции будет выглядеть следующим образом
Таким образом, данное выражение позволяет найти магнитную индукцию магнитного поля, которое создается проводником с током произвольной формы и размеров при помощи интегрирования правой части выражения
где символ l обозначает, что интегрирование происходит по всей длине проводника.
Магнитная индукция прямолинейного проводника
Как известно простейшее магнитное поле создает прямолинейный проводник, по которому протекает электрический ток. Как я уже говорил в предыдущей статье, силовые линии данного магнитного поля представляют собой концентрические окружности расположенные вокруг проводника.
Для определения магнитной индукции В прямого провода в точке Р введем некоторые обозначения.
Так как точка Р находится на расстоянии b от провода, то расстояние от любой точки провода до точки Р определяется как r = b/sinα.
Тогда наименьшую длину проводника dl можно вычислить из следующего выражения
В итоге закон Био – Савара – Лапласа для прямолинейного провода бесконечной длины будет иметь вид
- где I – ток, протекающий по проводу,
- b – расстояние от центра провода до точки, в которой рассчитывается магнитная индукция.
- Теперь просто проинтегрируем получившееся выражение по dα в пределах от 0 до π.
Таким образом, итоговое выражение для магнитной индукции прямолинейного провода бесконечной длины будет иметь вид
- где μ0 – магнитная постоянная, μ0 = 4π•10-7 Гн/м,
- I – ток, протекающий по проводу,
- b – расстояние от центра проводника до точки, в которой измеряется индукция.
Магнитная индукция кольца
Индукция прямого провода имеет небольшое значение и уменьшается при удалении от проводника, поэтому в практических устройствах практически не применяется.
Наиболее широко используются магнитные поля созданные проводом, намотанным на какой либо каркас. Поэтому такие поля называются магнитными полями кругового тока.
Простейшим таким магнитным поле обладает электрический ток, протекающий по проводнику, который имеет форму окружности радиуса R.
В данном случае практический интерес представляет два случая: магнитное поле в центре окружности и магнитное поле в точке Р, которое лежит на оси окружности. Рассмотрим первый случай.
- В данном случае каждый элемент тока dl создаёт в центре окружности элементарную магнитную индукцию dB, которая перпендикулярна к плоскости контура, тогда закон Био-Савара-Лапласа будет иметь вид
- Остается только проинтегрировать полученное выражение по всей длине окружности
- где μ0 – магнитная постоянная, μ0 = 4π•10-7 Гн/м,
- I – сила тока в проводнике,
- R – радиус окружности, в которое свернут проводник.
- Рассмотрим второй случай, когда точка, в которой вычисляется магнитная индукция, лежит на прямой х, которая перпендикулярна плоскости ограниченной круговым током.
- Магнитная индукция в точке, лежащей на оси окружности.
- В данном случае индукция в точке Р будет представлять собой сумму элементарных индукций dBX, которые в свою очередь представляет собой проекцию на ось х элементарной индукции dB
- Применив закон Био-Савара-Лапласа вычислим величину магнитной индукции
- Теперь проинтегрируем данное выражение по всей длине окружности
- где μ0 – магнитная постоянная, μ0 = 4π•10-7 Гн/м,
- I – сила тока в проводнике,
- R – радиус окружности, в которое свернут проводник,
- х – расстояние от точки, в которой вычисляется магнитная индукция, до центра окружности.
- Как видно из формулы при х = 0, получившееся выражение переходит в формулу для магнитной индукции в центре кругового тока.
Циркуляция вектора магнитной индукции
Для расчёта магнитной индукции простых магнитных полей достаточно закона Био-Савара-Лапласа. Однако при более сложных магнитных полях, например, магнитное поле соленоида или тороида, количество расчётов и громоздкость формул значительно увеличится. Для упрощения расчётов вводится понятие циркуляции вектора магнитной индукции.
Циркуляция вектора магнитной индукции по произвольному контуру.
Представим некоторый контур l, который перпендикулярный току I. В любой точке Р данного контура, магнитная индукция В направлена по касательной к данному контуру. Тогда произведение векторов dl и В описывается следующим выражением
- Так как угол dφ достаточно мал, то векторов dlВ определяется, как длина дуги
- Таким образом, зная магнитную индукцию прямолинейного проводника в данной точке, можно вывести выражение для циркуляции вектора магнитной индукции
- Теперь остаётся проинтегрировать получившееся выражение по всей длине контура
- В нашем случае вектор магнитной индукции циркулирует вокруг одного тока, в случае же нескольких токов выражение циркуляции магнитной индукции переходит в закон полного тока, который гласит:
- Циркуляция вектора магнитной индукции по замкнутому контуру пропорциональна алгебраической сумме токов, которые охватывает данный контур.
Магнитное поле соленоида и тороида
С помощью закона полного тока и циркуляции вектора магнитной индукции достаточно легко определить магнитную индукцию таких сложных магнитных полей как у соленоида и тороида.
Соленоидом называется цилиндрическая катушка, которая состоит из множества витков проводника, намотанных виток к витку на цилиндрический каркас. Магнитное поле соленоида фактически состоит из множества магнитных полей кругового тока с общей осью, перпендикулярной к плоскости каждого кругового тока.
- Магнитная индукция соленоида.
- Воспользуемся циркуляцией вектора магнитной индукции и представим циркуляцию по прямоугольному контуру 1-2-3-4. Тогда циркуляция вектора магнитной индукции для данного контура будет иметь вид
Так как на участках 2-3 и 4-1 вектор магнитной индукции перпендикулярен к контуру, то циркуляция равна нулю. На участке 3-4, который значительно удалён от соленоида, то его так же можно не учитывать. Тогда с учётом закона полного тока магнитная индукция в соленоиде достаточно большой длины будет иметь вид
- где n – число витков проводника соленоида, которое приходится на единицу длины,
- I – ток, протекающий по соленоиду.
Тороид образуется путём намотки проводника на кольцевой каркас. Данная конструкция эквивалентна системе из множества одинаковых круговых токов, центры которых расположены на окружности.
Магнитная индукция тороида.
В качестве примера рассмотрим тороид радиуса R, на который намотано N витков провода.
Вокруг каждого витка провода возьмём контур радиуса r, центр данного контура совпадает в центром тороида.
Так как вектор магнитной индукции B направлен по касательной к контуру в каждой точке контура, то циркуляция вектора магнитной индукции будет иметь вид
- где r – радиус контура магнитной индукции.
- Контур проходя внутри тороида охватывает N витков провода с током I, тогда закон полного тока для тороида будет иметь вид
- где n – число витков проводника, которое приходится на единицу длины,
- r – радиус контура магнитной индукции,
- R – радиус тороида.
Таким образом, используя закон полного тока и циркуляцию вектора магнитной индукции можно рассчитать сколь угодно сложное магнитное поле. Однако закон полного тока дает правильные результаты только лишь в вакууме. В случае расчёта магнитной индукции в веществе необходимо учитывать так называемые молекулярные токи. Об этом пойдёт речь в следующей статье.
Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.
Источник: https://www.electronicsblog.ru/nachinayushhim/magnitnaya-indukciya-v-vakuume.html
Магнетизм для чайников: основные формулы, определение, примеры
Часто бывает, что задачу не удается решить из-за того, что под рукой нет нужной формулы. Выводить формулу с самого начала – дело не самое быстрое, а у нас на счету каждая минута.
Ниже мы собрали вместе основные формулы по теме «Электричество и Магнетизм». Теперь, решая задачи, вы сможете пользоваться этим материалом как справочником, чтобы не терять время на поиски нужной информации.
Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.
Магнетизм: определение
Магнетизм – это взаимодействие движущихся электрических зарядов, происходящее посредством магнитного поля.
Поле – особая форма материи. В рамках стандартной модели существует электрическое, магнитное, электромагнитные поля, поле ядерных сил, гравитационное поле и поле Хиггса. Возможно, есть и другие гипотетические поля, о которых мы пока что можем только догадываться или не догадываться вовсе. Сегодня нас интересует магнитное поле.
Магнитная индукция
Так же, как заряженные тела создают вокруг себя электрическое поле, движущиеся заряженные тела порождают магнитное поле.
Магнитное поле не только создается движущимися зарядами (электрическим током), но еще и действует на них. По сути магнитное поле можно обнаружить только по действию на движущиеся заряды.
А действует оно на них с силой, называемой силой Ампера, о которой речь пойдет позже.
Изображение магнитного поля при помощи силовых линий
Прежде чем мы начнем приводить конкретные формулы, нужно рассказать про магнитную индукцию.
Магнитная индукция – это силовая векторная характеристика магнитного поля.
Она обозначается буквой B и измеряется в Тесла (Тл). По аналогии с напряженностью для электрического поля Е магнитная индукция показывает, с какой силой магнитное поле действует на заряд.
Кстати, вы найдете много интересных фактов на эту тему в нашей статье про теорию магнитного поля и интересные факты о магнитном поле Земли.
Как определять направление вектора магнитной индукции? Здесь нас интересует практическая сторона вопроса. Самый частый случай в задачах – это магнитное поле, создаваемое проводником с током, который может быть либо прямым, либо в форме окружности или витка.
Для определения направления вектора магнитной индукции существует правило правой руки. Приготовьтесь задействовать абстрактное и пространственное мышление!
Если взять проводник в правую руку так, что большой палец будет указывать на направление тока, то загнутые вокруг проводника пальцы покажут направление силовых линий магнитного поля вокруг проводника. Вектор магнитной индукции в каждой точке будет направлен по касательной к силовым линиям.
Сила Ампера
Представим, что есть магнитное поле с индукцией B. Если мы поместим в него проводник длиной l, по которому течет ток силой I, то поле будет действовать на проводник с силой:
Это и есть сила Ампера. Угол альфа – угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока в проводнике.
Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если расположить левую руку так, чтобы в ладонь входили линии магнитной индукции, а вытянутые пальцы указывали бы направление тока, отставленный большой палец укажет направление силы Ампера.
Сила Лоренца
Мы выяснили, что поле действует на проводник с током. Но если это так, то изначально оно действует отдельно на каждый движущийся заряд. Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся в нем электрический заряд, называется силой Лоренца. Здесь важно отметить слово «движущийся», так на неподвижные заряды магнитное поле не действует.
Итак, частица с зарядом q движется в магнитном поле с индукцией В со скоростью v, а альфа – это угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции. Тогда сила, которая действует на частицу:
Как определить направление силы Лоренца? По правилу левой руки. Если вектор индукции входит в ладонь, а пальцы указывают на направление скорости, то отогнутый большой палец покажет направление силы Лоренца. Отметим, что так направление определяется для положительно заряженных частиц. Для отрицательных зарядов полученное направление нужно поменять на противоположное.
Если частица массы m влетает в поле перпендикулярно линиям индукции, то она будет двигаться по окружности, а сила Лоренца будет играть роль центростремительной силы. Радиус окружности и период обращения частицы в однородном магнитном поле можно найти по формулам:
Взаимодействие токов
Рассмотрим два случая. Первый – ток течет по прямому проводу. Второй – по круговому витку. Как мы знаем, ток создает магнитное поле.
В первом случае магнитная индукция провода с током I на расстоянии R от него считается по формуле:
Мю – магнитная проницаемость вещества, мю с индексом ноль – магнитная постоянная.
Во втором случае магнитная индукция в центре кругового витка с током равна:
Также при решении задач может пригодиться формула для магнитного поля внутри соленоида. Соленоид – это катушка, то есть множество круговых витков с током.
- Пусть их количество – N, а длина самого соленоилда – l. Тогда поле внутри соленоида вычисляется по формуле:
- Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Магнитный поток и ЭДС
Если магнитная индукция – векторная характеристика магнитного поля, то магнитный поток – скалярная величина, которая также является одной из самых важных характеристик поля.
Представим, что у нас есть какая-то рамка или контур, имеющий определенную площадь. Магнитный поток показывает, какое количество силовых линий проходит через единицу площади, то есть характеризует интенсивность поля.
Измеряется в Веберах (Вб) и обозначается Ф.
S – площадь контура, альфа – угол между нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура и вектором В.
При изменении магнитного потока через контур в контуре индуцируется ЭДС, равная скорости изменения магнитного потока через контур. Кстати, подробнее о том, что такое электродвижущая сила, вы можете почитать в еще одной нашей статье.
По сути формула выше – это формула для закона электромагнитной индукции Фарадея. Напоминаем, что скорость изменения какой-либо величины есть не что иное, как ее производная по времени.
Для магнитного потока и ЭДС индукции также справедливо обратное. Изменение тока в контуре приводит к изменению магнитного поля и, соответственно, к изменению магнитного потока.
При этом возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует изменению тока в контуре.
Магнитный поток, который пронизывает контур с током, называется собственным магнитным потоком, пропорционален силе тока в контуре и вычисляется по формуле:
L – коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью, который измеряется в Генри (Гн). На индуктивность влияют форма контура и свойства среды. Для катушки с длиной l и с числом витков N индуктивность рассчитывается по формуле:
- Формула для ЭДС самоиндукции:
Энергия магнитного поля
Электроэнергия, ядерная энергия, кинетическая энергия. Магнитная энергия – одна из форм энергии. В физических задачах чаще всего нужно рассчитывать энергию магнитного поля катушки. Магнитная энергия катушки с током I и индуктивностью L равна:
- Объемная плотность энергии поля:
Конечно, это не все основные формулы раздела физики «электричество и магнетизм», однако они часто могут помочь при решении стандартных задач и расчетах. Если же вам попалась задача со звездочкой, и вы никак не можете подобрать к ней ключ, упростите себе жизнь и обратитесь за решением в сервис студенческой помощи.
Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/magnetizm-dlya-chajnikov-osnovnye-formuly-kotorye-prigodyatsya-pri-reshenii-zadach/
Магнитное поле – FIZI4KA
ЕГЭ 2018 по физике ›
Магнитное поле – особая форма материи, существующая вокруг движущихся электрических зарядов – токов.
Источниками магнитного поля являются постоянные магниты, проводники с током. Обнаружить магнитное поле можно по действию на магнитную стрелку, проводник с током и движущиеся заряженные частицы.
Для исследования магнитного поля используют замкнутый плоский контур с током (рамку с током).
Впервые поворот магнитной стрелки около проводника, по которому протекает ток, обнаружил в 1820 году Эрстед. Ампер наблюдал взаимодействие проводников, по которым протекал ток: если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются, если токи в проводниках текут в противоположных направлениях, то они отталкиваются.
Свойства магнитного поля:
- магнитное поле материально;
- источник и индикатор поля – электрический ток;
- магнитное поле является вихревым – его силовые линии (линии магнитной индукции) замкнутые;
- величина поля убывает с расстоянием от источника поля.
Важно! Магнитное поле не является потенциальным. Его работа на замкнутой траектории может быть не равна нулю.
- Магнитным взаимодействием называют притяжение или отталкивание электрически нейтральных проводников при пропускании через них электрического тока.
- Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов объясняется так: всякий движущийся электрический заряд создает в пространстве магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы.
- Силовая характеристика магнитного поля – вектор магнитной индукции ( vec{B} ). Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, к силе тока в проводнике ( I ) и его длине ( l ):
- Обозначение – ( vec{B} ), единица измерения в СИ – тесла (Тл).
- 1 Тл – это индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила 1 Н.
- Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением от южного полюса к северному полюсу магнитной стрелки (направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки), свободно установившейся в магнитном поле.
- Направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика:
- если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.
- Для определения магнитной индукции нескольких полей используется принцип суперпозиции:
- магнитная индукция результирующего поля, созданного несколькими источниками, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым источником в отдельности:
Поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению, называется однородным.
Наглядно магнитное поле изображают в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукции – это воображаемая линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.
Свойства магнитных линий:
- магнитные линии непрерывны;
- магнитные линии замкнуты (т.е. в природе не существует магнитных зарядов, аналогичных электрическим зарядам);
- магнитные линии имеют направление, связанное с направлением тока.
Густота расположения позволяет судить о величине поля: чем гуще расположены линии, тем сильнее поле.
На плоский замкнутый контур с током, помещенный в однородное магнитное поле, действует момент сил ( M ):
где ( I ) – сила тока в проводнике, ( S ) – площадь поверхности, охватываемая контуром, ( B ) – модуль вектора магнитной индукции, ( alpha ) – угол между перпендикуляром к плоскости контура и вектором магнитной индукции.
Тогда для модуля вектора магнитной индукции можно записать формулу:
где максимальный момент сил соответствует углу ( alpha ) = 90°.
В этом случае линии магнитной индукции лежат в плоскости рамки, и ее положение равновесия является неустойчивым. Устойчивым будет положение рамки с током в случае, когда плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции.
Взаимодействие магнитов
Постоянные магниты – это тела, длительное время сохраняющие намагниченность, то есть создающие магнитное поле.
Основное свойство магнитов: притягивать тела из железа или его сплавов (например стали). Магниты бывают естественные (из магнитного железняка) и искусственные, представляющие собой намагниченные железные полосы. Области магнита, где его магнитные свойства выражены наиболее сильно, называют полюсами. У магнита два полюса: северный ( N ) и южный ( S ).
Важно! Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса и входят в южный полюс.
Разделить полюса магнита нельзя.
Объяснил существование магнитного поля у постоянных магнитов Ампер. Согласно его гипотезе внутри молекул, из которых состоит магнит, циркулируют элементарные электрические токи.
Если эти токи ориентированы определенным образом, то их действия складываются и тело проявляет магнитные свойства.
Если эти токи расположены беспорядочно, то их действие взаимно компенсируется и тело не проявляет магнитных свойств.
Магниты взаимодействуют: одноименные магнитные полюса отталкиваются, разноименные – притягиваются.
Магнитное поле проводника с током
Электрический ток, протекающий по проводнику с током, создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле.
- Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током.
- Направление линий магнитного поля вокруг проводника с током всегда находится в строгом соответствии с направлением тока, проходящего по проводнику.
- Направление магнитных силовых линий можно определить по правилу буравчика: если поступательное движение буравчика (1) совпадает с направлением тока (2) в проводнике, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий (4) магнитного поля вокруг проводника.
При изменении направления тока линии магнитного поля также изменяют свое направление.
По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, индукция магнитного поля уменьшается.
Направление тока в проводнике принято изображать точкой, если ток идет к нам, и крестиком, если ток направлен от нас.
Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое устройство называют катушкой.
В проводнике, согнутом в виде витка, магнитные поля, образованные всеми участками этого проводника, будут внутри витка иметь одинаковое направление.
Поэтому интенсивность магнитного поля внутри витка будет больше, чем вокруг прямолинейного проводника. При объединении витков в катушку магнитные поля, созданные отдельными витками, складываются.
При этом концентрация силовых линий внутри катушки возрастает, т. е. магнитное поле внутри нее усиливается.
Чем больше ток, проходящий через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катушкой магнитное поле. Магнитное поле снаружи катушки также складывается из магнитных полей отдельных витков, однако магнитные силовые линии располагаются не так густо, вследствие чего интенсивность магнитного поля там не столь велика, как внутри катушки.
Магнитное поле катушки с током имеет такую же форму, как и поле прямолинейного постоянного магнита: силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят в другой ее конец. Поэтому катушка с током представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такую катушку называют электромагнитом.
- Направление линий магнитной индукции катушки с током находят по правилу правой руки:
- если мысленно обхватить катушку с током ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в ее витках, тогда большой палец укажет направление вектора магнитной индукции.
- Для определения направления линий магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно использовать также правило буравчика:
- если вращать ручку буравчика по направлению тока в витке или катушке, то поступательное движение буравчика укажет направление вектора магнитной индукции.
Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Полярность электромагнита (направление магнитного поля) можно определить и с помощью правила правой руки.
Сила Ампера
Сила Ампера – сила, которая действует на проводник с током, находящийся в магнитном поле.
Закон Ампера: на проводник c током силой ( I ) длиной ( l ), помещенный в магнитное поле с индукцией ( vec{B} ), действует сила, модуль которой равен:
где ( alpha ) – угол между проводником с током и вектором магнитной индукции ( vec{B} ).
Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ( B_perp ) входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.
Сила Ампера не является центральной. Она направлена перпендикулярно линиям магнитной индукции.
Сила Ампера широко используется. В технических устройствах создают магнитное поле с помощью проводников, по которым течет электрический ток.
Электромагниты используют в электромеханическом реле для дистанционного выключения электрических цепей, магнитном подъемном кране, жестком диске компьютера, записывающей головке видеомагнитофона, в кинескопе телевизора, мониторе компьютера.
В быту, на транспорте и в промышленности широко применяют электрические двигатели. Взаимодействие электромагнита с полем постоянного магнита позволило создать электроизмерительные приборы (амперметр, вольтметр).
Простейшей моделью электродвигателя служит рамка с током, помещенная в магнитное поле постоянного магнита. В реальных электродвигателях вместо постоянных магнитов используют электромагниты, вместо рамки – обмотки с большим числом витков провода.
- Коэффициент полезного действия электродвигателя:
- где ( N ) – механическая мощность, развиваемая двигателем.
- Коэффициент полезного действия электродвигателя очень высок.
- Алгоритм решения задач о действии магнитного поля на проводники с током:
- сделать схематический чертеж, на котором указать проводник или контур с током и направление силовых линий поля;
- отметить углы между направлением поля и отдельными элементами контура;
- используя правило левой руки, определить направление силы Ампера, действующей на проводник с током или на каждый элемент контура, и показать эти силы на чертеже;
- указать все остальные силы, действующие на проводник или контур;
- записать формулы для остальных сил, упоминаемых в задаче. Выразить силы через величины, от которых они зависят. Если проводник находится в равновесии, то необходимо записать условие его равновесия (равенство нулю суммы сил и моментов сил);
- записать второй закон Ньютона в векторном виде и в проекциях;
- решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
- решение проверить.
Сила Лоренца
- Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.
- Формула для нахождения силы Лоренца:
- где ( q ) – заряд частицы, ( v ) – скорость частицы, ( B ) – модуль вектора магнитной индукции, ( alpha ) – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.
- Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ( B_perp ) входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.
- Если заряд частицы отрицательный, то направление силы изменяется на противоположное.
Важно! Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно.
- В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.
- Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:
- где ( m ) – масса частицы, ( v ) – скорость частицы, ( B ) – модуль вектора магнитной индукции, ( q ) – заряд частицы.
В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для вычисления периода обращения частицы:
- Угловая скорость движения заряженной частицы:
Важно! Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца изменяется направление скорости частицы.
Если вектор скорости направлен под углом ( alpha ) (0° < ( alpha ) < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.
В этом случае вектор скорости частицы можно представить как сумму двух векторов скорости, один из которых, ( vec{v}_2 ), параллелен вектору ( vec{B} ), а другой, ( vec{v}_1 ), – перпендикулярен ему.
Вектор ( vec{v}_1 ) не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор ( vec{v}_2 ) меняется по направлению. Сила Лоренца будет сообщать движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости ( vec{v}_1 ). Частица будет двигаться по окружности.
Период обращения частицы по окружности – ( T ).
Таким образом, на равномерное движение вдоль линии индукции будет накладываться движение по окружности в плоскости, перпендикулярной вектору ( vec{B} ). Частица движется по винтовой линии с шагом ( h=v_2T ).
- Важно! Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:
- Особенности движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах – устройствах для измерения масс заряженных частиц; ускорителях частиц; для термоизоляции плазмы в установках «Токамак».
- Алгоритм решения задач о действии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:
- сделать чертеж, указать на нем силовые линии магнитного (и электрического) поля, нарисовать вектор начальной скорости частицы и отметить знак ее заряда;
- изобразить силы, действующие на заряженную частицу;
- определить вид траектории частицы;
- разложить силы, действующие на заряженную частицу, вдоль направления магнитного поля и по направлению, ему перпендикулярному;
- составить основное уравнение динамики материальной точки по каждому из направлений разложения сил;
- выразить силы через величины, от которых они зависят;
- решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
- решение проверить.
Основные формулы раздела «Магнитное поле»
Источник: https://fizi4ka.ru/egje-2018-po-fizike/magnitnoe-pole.html
Магнитное действие тока. Вектор магнитной индукции. Магнитный поток
| 1820 г. X. Эрстед — датский физик, открыл магнитное действие тока. (Опыт: действие электрического тока на магнитную стрелку). 1820 г. А. Ампер — французский ученый, открыл механическое взаимодействие токов и установил закон этого взаимодействия. |
Магнитное взаимодействие, как и электрическое, удобно рассматриватьвводя понятие магнитного поля:
|
|
| Отсюда устанавливается единица силы тока ампер в СИ: сила тока равна 1 А, если между отрезками двух бесконечных проводников по 1 м каждый, находящимися в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, действует сила магнитного взаимодействия 2.10 7Н. |
В СИ удобно ввести магнитную проницаемость вакуума  .
|
| Вектор магнитной индукции (В) – аналог напряженности электрического поля. Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции. |
| Направление этого вектора для поля прямого проводника с током и соленоида можно определить по правилу буравчика: если направление поступательного движения буравчика (винта с правой нарезкой) совпадает с направлением тока, то направление вращения ручки буравчика покажет направление линий магнитной индукции. Вектор магнитной индукции направлен по касательной к линиям. |
| На практике удобно пользоваться следующим правилом: если большой палец правой руки направить по току, то направление обхвата тока остальными пальцами совпадет с направлением линий магнитной индукции. |
|
Модуль вектора магнитной индукции Магнитная индукция В зависит от I и r, где r — расстояние от проводника с током до исследуемой точки. Если расстояние от проводника много меньше его длины (т. е. рассматривать модель бесконечно длинного проводника), то, где k — коэффициент пропорциональности. Подставляя эту формулу в уравнение для силы взаимодействия двух проводников с током, получим F=B .I.ℓ. Отсюда . Таким образом, модуль вектора магнитной индукции есть отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого участка. |
| Единица измерения в СИ — тесла (Тл). Единица названа в честь сербского электротехника Н. Тесла. |
| Магнитный поток (поток линий магнитной индукции) через контур численно равен произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь, ограниченную контуром, и на косинус угла между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к поверхности, ограниченной этим контуром. |
 , где Вcosα представляет собой проекцию вектора В на нормаль к плоскости контура. Магнитный поток показывает, какое количество линий магнитной индукции пронизывает данный контур.
|
| Единица магнитного потока в СИ — вебер (Вб). В честь немецкого физика В. Вебера. |
| Опыт показывает, что линии магнитной индукции всегда замкнуты, и полный магнитный поток через замкнутую поверхность равен нулю. Этот факт является следствием отсутствия магнитных зарядов в природе. |
Источник: https://www.eduspb.com/node/1774
Индукция магнитного поля
Индукция магнитного поля является одной из его основных характеристик, показывающих степень действия поля на движущийся электрозаряд.
Когда в катушке индуктивности перемещается постоянный магнит, в ней генерируется электроток, и параллельно с этим становится больше магнитный поток.
Всем, кто работает с электромагнитными явлениями, нужно знать определение этого вида индукции, понимать ее физический смысл и представлять, как проводится ее измерение.
Катушка – элемент цепи, создающий магнитное поле
Физический смысл магнитной индукции
Прежде, чем перейти к рассмотрению формулы магнитной индукции, нужно выяснить, чем объясняется возникновение самого явления в системе. Соленоид не является плоским элементом и включает в себя спираль из проводника (металла).
При отсутствии воздействующих на него магнитных явлений находящиеся в кристаллической решетке материала спирали электрозаряды ведут себя статично.
Когда в соленоиде движется постоянный магнитный элемент, формирующий поле, под его влиянием движутся и заряженные частицы, тогда в индуктивном элементе появляется электрический ток, сила которого определяется характеристиками магнитного и спирального элемента и тем, как быстро происходит движение.
Важно! Имеющие одинаковую ориентацию поля суммируются, образуя общее поле. Когда передвижение заряженных частиц в соленоиде прекращается, сердечник перестает проявлять магнитные характеристики, если он выполнен из мягкого металла (к стальным изделиям это правило не относится).
Направление линий магнитной индукции
Плотность энергии магнитного поля
Рассматриваемая индукция является векторной величиной, то, куда она направлена, определяется посредством помещаемой в поле магнитной стрелки: местоположение северного полюса будет направлением вектора. Поместив стрелку вблизи катушки или в какую-либо иную точку поля, можно определить, куда направлен вектор в этой конкретной точке.
Важно! Можно воспользоваться также правилом буравчика: когда он движется в одну сторону с током, вектор идет в одну сторону с вращением ручки.
Формула магнитной индукции
Что является источником магнитного поля
- Величина магнитной индукции определяется по следующей формуле:
- В = F/(l*I).
- Литерой В обозначается индукция (векторная величина), буквой F – наибольшая воздействующая на проводниковый элемент сила, l – длина элемента, I – токовая сила.
Суперпозиция магнитных полей
Вектор магнитной индукции: формула
Это явление можно описать следующим образом: в магнитном полевом пространстве, сформированным несколькими проводящими элементами, вектор индукции поля для каждой точки будет равным векторной сумме одиночных индукций, образованных в данной точке каждым из задействованных проводников.
Магнитный поток
Для характеристики воздействия индукционного фона на контур из металла используют такую величину, как поток. Она является скалярной. В контексте этого необходимо узнать, индукция в чем измеряется. Она зависит от количества идущих через единицу сечения проводящего элемента силовых линий.
В международной системе СИ за измерительную единицу принимается Тесла (Тл). Отсюда и название устройства, предназначенного для замеров – теслометра.
1 Тл – индукция, возникающая в полевом пространстве, в котором момент силы в 1 Н*м оказывает воздействие на контур площадью 1 квадратный метр, по которому течет ток в 1 ампер.
Действие магнитного поля на рамку с током
Когда в наружное поле помещают рамку из проводникового материала (проволоки), и в ней создается электроток, со стороны поля на нее будет воздействовать сила Ампера.
При однородности поля равнодействующая амперовых сил получится нулевой. При этом их момент таковым не будет. Вследствие этого рамка будет поворачиваться вокруг своей оси.
Индукционный вектор будет образовывать прямой угол с рамочной плоскостью.
Взаимосвязь напряженности МП и магнитной индукции
Общий вид формулы напряженности магнитного поля:
Н = I/(2*π*r).
Здесь Н – рассчитываемая величина, I – протекающий ток, r – дистанция до точки, чью характеристику поля надо оценить. Единица измерения напряженности выглядит как частное единиц, в которых измеряются сила тока и расстояние: ампера и метра (А/м).
- Для соленоида, содержащего n витков и имеющего длину L, будет применяться выражение:
- Н = I*n/L.
- В условиях вакуума отношение величин напряженности и индукции может быть описано так:
- В = μ0*Н,
- где μ0 – константа, равная 1, 256*10-6.
С некоторым огрублением такое отношение справедливо и для воздушной среды. Когда в полевой зоне находится какой-то предмет, нужно учитывать магнитную проницаемость вещества, из которого он изготовлен (μ). Тогда отношение величин принимает следующий вид:
- В= μ* μ0*Н.
- У парамагнетиков (например, алюминиевых изделий) и особенно у ферромагнетиков (все виды железа и стали) значение μ велико, что ведет к возрастанию индукции, тогда как у диамагнитных изделий (например, медных) она меньше единицы, что несколько понижает плотность потока.
- Опираясь на приведенные выражения, можно составить формулы для проводниковых изделий различной формы:
- для кольца с радиусом R: B=(μ*μ0*I*n)/2R;
- для прямого кабеля бесконечной протяженности: В=(I*n*μ*μ0)/(2π х r);
- для спирали: В=(I*n*μ*μ0)/L.
Сила Лоренца
Когда некоторый участок провода, по которому идет электроток, находится в полевом пространстве, на движущиеся заряды действует сила со стороны поля. Ее называют силой Лоренца, по фамилии впервые обнаружившего это явление ученого. На ее значение оказывают влияние величины тока, индукции и угла между векторами этих двух величин.
Важно! Максимальное значение Лоренцовой силы достигается, когда проводниковый элемент образует с полем прямой угол. Когда направления поля и тока параллельны друг другу, рассматриваемая сила отсутствует.
Чтобы узнать вектор этой силы, можно воспользоваться правилом правой руки. Указательный палец нужно жестко зафиксировать в положении, показывающем вектор МП, а большой – отвести в сторону движения тока. В такой позиции средний палец при оттягивании под прямым углом к руке укажет в сторону приложения силы Лоренца.
Направление Лоренцовой силы
- Для расчета значения этой величины для некоторого заряда, перемещающегося перпендикулярно полю, используют выражение:
- F=B*q*v (здесь v – скорость движения заряда).
- Когда имеется угол между направлениями, формула принимает вид:
- F=B*q*v*sin α.
- Если надо рассчитать индукцию в контуре, помещенном в однородное поле, используют равенство:
- В=М(S*I),
- где М – момент амперовой силы, а S – площадь поверхности контурного элемента.
Применение силы Лоренца
Данное явление используется в датчиках, применяемых для непрямого замера электротока в локаторах, кабелях, выявления скорости транспорта или турбины.
Масс-спектрометры, работая с данной силой, вычисляют удельные заряды элементарных частиц. Лоренцово воздействие заставляет заряды двигаться по кругу.
Замерив радиус траектории движения, можно вычислить удельную величину, представляющую собой отношение заряда к массе. Выглядит выражение так:
Q/m=v/(B*r).
Магнитосфера Земли
Магнитосферой называется пространство, прилежащее к небесному телу и обладающее особыми свойствами, которые определяются взаимодействием МП планеты с заряженными частицами из внешнего пространства. Для Земли диаметр этой сферы составляет более 90 тысяч километров.
Наша планета обладает основным и переменным магнитными полями. Первое формируется электротоками, образующимися на плотном ядре вследствие разницы температур. Второе образуется из-за действия внешних сил (электротоков в атмосфере) и отличается большой нестабильностью. С ним связаны такие явления, как магнитные бури и северное сияние.
Полевое пространство Земли может быть описано рядом показателей, например, его напряженность описывает силу и привязана к географической широте. Магнитное склонение показывает разницу между меридианом (с вектором, направленным на север) и соответствующей позицией магнитной стрелки.
Изменения в магнитосфере Земли
Характеристики земного МП меняются, в основном, вследствие того, что оно смещается относительно земного шара. Люди привыкли, что северный конец стрелы должен устремляться к северу. При обратной намагниченности диполя планеты ситуация будет противоположной.
В обсерваториях фиксируются данные о состоянии МП планеты, и на их основе создаются геомагнитные карты. Они демонстрируют наличие отклонений в напряженности МП и положении силовых линий в некоторых уголках Земли. Эти явления называют магнитными аномалиями.
Иногда их используют как индикаторы местоположения определенных ископаемых ресурсов.
Связь между индукцией и степенью напряженности поля широко используется в расчетах. Она позволяет вывести выражения для нахождения значения индукции в проводниках разных форм, сделанных из материалов с различными показателями магнитной проницаемости.
Видео
Источник: https://amperof.ru/teoriya/indukciya-magnitnogo-polya.html
Напряжённость и магнитная индукция. Две величины, четыре единицы измерения
Хотя речь идёт о вещах скорее простых, чем сложных, почему-то их так объясняют, что обычно не очень понятно, что к чему. Попробую внести ясность. Своими словами и не строго.
Картинка для привлечения внимания, не для иллюстрации текста.
Магнитное поле в любом случае создаётся током, других вариантов нет.
Поэтому когда внезапно оказывается, что две физические величины характеризующие силу магнитного поля, с одной стороны напряжённость магнитного поля H, с другой стороны магнитная индукция B имеют в системе СИ разную размерность, поначалу испытываешь эмм… недоумение. H измеряется в Амперах/Метр, B измеряют в Теслах.
В системе СГС размерность у них одинаковая и коэффициент перевода 1:1, однако называются они по-разному. Н измеряют в Эрстедах, а B в Гауссах. Тоже недоумение, почему так получилось.
- Из-за этого смотрите, какая подстава. Переводим одни единицы в другие:
- 1 А/м = 0,01256637 Э
- 1 Т = 10000 Гс
Слева цифры одинаковые, а справа разные. Помните, да, что Гауссы в Эрстеды в системе СГС переводятся 1:1? А теслы в амеры на метр переводятся с коэффициентом мю_ноль. Который есть «магнитная постоянная» или «магнитная проницаемость вакуума».
Поэтому возьмём систему СГС, она ближе к здравому смыслу.
Магнитная индукция (B) это магнитная сила, которую мы измеряем. В буквальном смысле сила, которая будет поворачивать, например, магнитную стрелку компаса вдоль магнитных линий. Величина первичная, измеряется только она. Всё остальное вычисляется.
Если мы (1) возьмём какое-то магнитное поле, измерим индукцию. Потом (2) поместим в поле железяку, и ещё раз измерим индукцию. Результат будет разный, на него повлияет намагниченность тела. Как правило намагниченность нас и интересует, потому что она характеризует наш образец. Но в данной заметке я хотел бы сосредоточится на терминологии, а намагниченность оставить в покое.
Так вот, условно можно сказать, что «напряжённость магнитного поля (H)» это результат первого измерения. То магнитное поле, которое есть изначально. «Магнитная индукция (B)» это результат второго измерения. То магнитное поле, которое получается после помещения в изначальное поле образца.
Пробное поле обычно создают катушкой с током (а не постоянным магнитом, например). На это есть две причины. Во-первых, удобство в том, что магнитное поле, создаваемое катушкой, прямо пропорционально току, который мы через катушку пропускаем.
То есть его легко менять, регулируя ток. Во-вторых нам его не нужно каждый раз измерять, достаточно знать ток и геометрию намотки. Из этих данных можно посчитать какая будет напряжённость магнитного поля при заданном токе в любой точке системы.
Далее мы помещаем образец в известное, только что нами приготовленное поле, и измеряем магнитную индукцию. Вычитаем из неё напряжённость и получаем намагниченность. Или точнее величину магнитного поля от условных «магнитных зарядов», индуцированных на образце напряжённостью. Коэффициент в СГС тоже есть, но к счастью безразмерный. Разность индукции и напряжённости надо разделить на 4_пи.
Совсем коротко можно сказать так: «сигнальная часть» это напряжённость, а «отклик» это индукция. Разница — намагниченность.
Коэффициенты и прочие подробности есть в википедии и учебниках.
Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5b063d258309053a2002d72a/5b392f0756364700a9537f65
Загрузка...
