Магнитная индукция прямого проводника с током формула. Магнитное поле прямого провода и соленоида

Инструкция

Чтобы узнать направление магнитных для прямого проводника с , расположите его так, чтобы электрический ток шел в направлении от вас (например, в лист бумаги). Попробуйте вспомнить, как двигается бур или закручиваемый отверткой винт: по часовой и . Изобразите это движение рукой, чтобы понять направление линий . Таким образом, линии магнитного поля направлены по часовой стрелке. Отметьте их схематично на чертеже. Этот метод правилом буравчика.

Если проводник расположен не в том направлении, мысленно встаньте таким образом или поверните конструкцию так, чтобы ток от вас удалялся. Затем вспомните движение бура или винта и поставьте направление магнитных линий по часовой стрелке.

Если правило буравчика кажется вам сложным, попробуйте использовать правило правой руки. Чтобы с его помощью определить направление магнитных линий , расположите руку используйте правую руку с оттопыренным большим пальцем. Большой палец направьте по движению проводника, а 4 остальных пальца – в направлении индукционного тока. Теперь обратите внимание, силовые линии магнитного поля в вашу ладонь.

Для того, чтобы использовать правило правой руки для катушки с током, обхватите его мысленно ладонью правой руки так, чтобы пальцы были направлены вдоль тока в витках. Посмотрите, куда смотрит отставленный палец – это и есть направление магнитных линий внутри . Этот способ поможет определить ориентацию металлической болванки, если вам нужно зарядить при помощи катушки с током.

Чтобы определить направление магнитных линий при помощи магнитной стрелки, расположите несколько таких стрелок вокруг провода или катушки. Вы увидите, что оси стрелок направлены по касательным к окружности. С помощью этого метода можно найти направление линий в каждой точке пространства и их непрерывность.

Под линиями индукции понимают силовые линии магнитного поля. Для того чтобы получить информацию об этом виде материи, недостаточно знать абсолютную величину индукции, нужно знать и ее направление. Направление линий индукции можно найти при помощи специальных приборов или пользуясь правилами.

Вам понадобится

• - прямой и круговой проводник;
• - источник постоянного тока;
• - постоянный магнит.

Инструкция

Подключите к источнику постоянного тока прямой проводник. Если по нему течет ток, он магнитным полем, силовые линии которого представляют собой концентрические окружности. Определите направление силовых линий, воспользовавшись правилом . Правым буравчиком называется винт, продвигающийся при вращении в правую сторону (по часовой стрелке).

Определите направление тока в проводнике, учитывая, что он протекает от положительного полюса источника к отрицательному. Шток винта расположите параллельно проводнику. Начинайте вращать его так, чтобы шток начал двигаться в направлении тока. В этом случае направление вращения рукоятки покажет направление линий индукции магнитного поля.

Найдите направление силовых линий индукции витка с током. Для этого используйте то же правого буравчика. Буравчик расположите таким образом, чтобы рукоятка вращалась в направлении протекания тока. В этом случае движение штока буравчика покажет направление линий индукции. Например, если ток протекает в витке по часовой стрелке, то линии магнитной индукции будут плоскости витка и будут уходить в его плоскость.

Если проводник двигается во внешнем магнитном поле, определите его направление, пользуясь правилом левой руки. Для этого расположите левую руку так, чтобы четыре пальца показывали направление тока, а отставленный большой палец, направление движения проводника. Тогда линии индукции однородного магнитного поля будут входить в ладонь левой руки.

Видео по теме

В процессе создания чертежа инженер сталкивается с целым спектром проблем, умение решать которые является степенью его квалификации. Определение видимости на чертежах многосложных деталей есть одна из упомянутых проблем. Самый распространенный метод определения видимости на чертеже – метод конкурирующих точек.

Вам понадобится

• Изображения детали без определенной видимости по крайней мере в двух главных видах, захватывающих вид спереди, для этого лучше подойдут вид спереди и сверху, отмеченные ключевые точки на чертеже, в которых будет определяться видимость.

Инструкция

Найдите на чертеже точки, проекции которых на либо плоскости совпадают, не совпадая при этом на плоскости проекции. Такие точки конкурирующими и они будут использованы нами в качестве опорных точек при построении видимости, сообщая нам о нахождении в пространстве тех , к которым эти точки привязаны.

Через отмеченные вами ранее точки, предназначенные для видимости, проведите прямые таким образом, чтобы они были перпендикулярны одной из главных плоскостей проекции, при этом автоматически становясь параллельными другой плоскости проекции.

Отметьте точки пересечения , проведенных вами в предыдущем шаге, с деталью. Эти точки будут конкурирующими, поскольку их проекции на одной плоскости будут совпадать, не совпадая при этом на другой плоскости. Если проекции точек совпадают на фронтальной плоскости (П1), то точки называются фронтально конкурирующими. Если проекции точек совпадают на горизонтальной плоскости (П2), то такие точки называются горизонтально-конкурирующими.

Определите видимость. Для фронтально конкурирующих точек видимость определяется на виде сверху. Та точка, горизонтальная проекция ниже, то есть ближе к наблюдателю, будет видима на виде спереди. Соответственно другая точка, конкурирующая данной, будет невидима. Для горизонтально конкурирующих точек видимость определяется на виде спереди, при этом та точка будет видима, которая находится выше остальных, а все остальные, конкурирующие данной, будут невидимы.

Магнитное поле не воспринимается органами чувств человека. Для того чтобы его увидеть, необходим специальный прибор. Он позволяет наблюдать форму силовых линий магнитного поля в трехмерном виде.

Инструкция

Приготовьте основу прибора - пластмассовую бутылку. Применять стеклянную нежелательно, поскольку она может быть разбита в ходе опытов магнитом, инструментами или другими металлическими предметами. У бутылки должна быть наклейка только с одной стороны. Если наклейка , удалите одну из ее половин, а если ее нет вообще, закрасьте один бок бутылки белой краской. Получится фон, на котором силовые линии наиболее заметны.

Расположитесь в любом помещении, кроме кухни. Постелите на стол газету, наденьте защитные перчатки. Настригите на нее ненужными ножницами из старой металлической мочалки для мытья посуды. Заверните в пакет и этим приспособлением полностью соберите . Вставьте в горлышко бутылки воронку, а затем, поместив приспособление над воронкой, уберите магнит из пакета. Опилки отделятся от пакета и через воронку в бутылку. Ни в коем случае не допускайте попадания опилок на пол и любые окружающие предметы, особенно одежду, обувь и продукты питания! Теперь наполните бутылку почти доверху прозрачным и безопасным маслом, после чего плотно закупорьте. Тщательно вымойте готовый прибор снаружи от остатков масла.

Перемешайте опилки с маслом, вращая бутылку. Просто встряхивать ее неэффективно. Теперь поднесите к ней магнит, и опилки выстроятся в соответствии с формой силовых линий. Чтобы подготовить прибор к следующему опыту, уберите магнит и снова перемешайте опилки с маслом, как указано выше.

Попробуйте пронаблюдать силовые линии поле й магнитов различной формы. Зарисуйте или сфотографируйте их. Подумайте, они имеют именно такую форму, на этот вопрос в учебнике физики. Попробуйте объяснить, почему прибор не на переменные магнитные поля, например, от трансформаторов.

Видео по теме

Обратите внимание

Не разрешайте детям пользоваться визуализатором без наблюдения взрослых - это не игрушка, а физический прибор. Содержащиеся в нем опилки опасны при проглатывании.

Источники:

• Трехмерный визуализатор магнитных полей в 2019

Истинным направлением тока является то, в котором движутся заряженные частицы. Оно, в свою очередь, зависит от знака их заряда. Помимо этого, техники пользуются условным направлением перемещения заряда, не зависящим от свойств проводника.

Инструкция

Для определения истинного направления перемещения заряженных частиц руководствуйтесь следующим правилом. Внутри источника они вылетают из электрода, который от этого заряжается с противоположным знаком, и движутся к электроду, который по этой причине приобретает заряд, по знаку аналогичный частиц. Во внешней же цепи они вырываются электрическим полем из электрода, заряд которого совпадает с зарядом частиц, и притягиваются к противоположно заряженному.

В металле носителями тока являются свободные электроны, перемещающиеся между узлами кристаллической . Поскольку эти частицы заряжены отрицательно, внутри источника считайте их движущимися от положительного электрода к отрицательному, а во внешней цепи - от отрицательного к положительному.

В неметаллических проводниках заряд переносят также электроны, но механизм их перемещения иной. Электрон, покидая атом и тем самым превращая его в положительный ион, заставляет его захватить электрон с предыдущего атома. Тот же электрон, который покинул атом, ионизирует отрицательно следующий. Процесс повторяется непрерывно, пока в цепи ток. Направление движения заряженных частиц в этом случае считайте тем же, что и в предыдущем случае.

В заряд всегда переносят тяжелые ионы. В зависимости от состава электролита, они могут быть как отрицательными, так и положительными. В первом случае считайте их ведущими себя аналогично электронам, а во втором - аналогично положительным ионам в газах или дыркам в полупроводниках.

При указании направления тока в электрической схеме, независимо от того, куда перемещаются заряженные частицы на самом деле, считайте их движущимися в источнике от отрицательного полюса к положительному, а во внешней цепи - от положительного к отрицательному. Указанное направление считается условным, а принято оно до строения атома.

Источники:

• направление тока

Совет 6: Где найти проводника для похода в горы или в лес

Многих людей, собирающихся в отпуск, привлекает не бесцельное лежание на пляже, а пешие или конные походы в горы или в лес, дающие возможность побыть наедине с природой, полюбоваться красотою мест, не испорченных цивилизацией, да и проверить себя. Но, если вы отправляетесь не просто на прогулку по исхоженным тропам, а в настоящий многодневный поход по неизведанным местам, без проводника вам не обойтись.

Зачем нужен проводник в походе

Даже бывалые и опытные туристы, впрочем, особенно такие, отправляясь в горы или лес по сложному маршруту в тех местах, где они до этого не были, обязательно возьмут с собой проводника. Проводник, это человек, живущий в данной местности и прекрасно знающий ее, который занимается сопровождением профессионально или время от времени.

Такой человек не только досконально изучил здесь каждую тропу, но знает все местной погоды, особенности поведения и правила безопасности. Его присутствие станет гарантией того, что поход пройдет в максимально комфортабельных условиях и все его участники вернутся из него целыми и невредимыми.

Особенно необходим проводник в том случае, когда вы и участники вашей группы – начинающие туристы. Порою незнание элементарных правил безопасности и отсутствие первичных туристических навыков приводят к настоящим человеческим трагедиям. Проводник не только гарант безопасности, но и человек, который обучит вас правилам и покажет вам то, что сами вы просто не сможете разглядеть и увидеть.

Отправляясь в поход, тщательно изучите все особенности данной территории, просмотрите маршрут и подготовьтесь физически.

Как находить проводника для туристического похода

Если местность, куда вы направляетесь, достаточно безлюдная, договориться о сопровождении можно с местными жителями. Как правило, за небольшую (для вас) плату они с удовольствием соглашаются помочь приезжим туристам в этом вопросе. В том случае, когда рядом расположен крупный населенный пункт, можно узнать и обратиться в местные туристические клубы или службу спасения, подразделение МЧС.

Перед тем как выйти на маршрут, предупредите об этом местные спасательные службы и договоритесь о контрольных сроках вашего появления, чтобы в случае задержки помощь была выслана немедленно.

Если они не выделят проводника из рядов своих членов и сотрудников, наверняка посоветуют, к кому из местных жителей вам можно обратиться. Хороший совет и рекомендации вы можете получить и обратившись в торговую точку, где продают горное или туристическое снаряжение, обычно торгуют там люди, не понаслышке знакомые с туризмом и альпинизмом.

Всесильный интернет окажет вам помощь в поиске. Вы можете посмотреть официальные сайты тех городов, которые будут отправной точкой вашего похода, часто там имеется подобная информация. Есть специализированные сайты, предлагающие услуги профессиональных проводников, причем они могут сопровождать вас не только по России, но и за рубежом.

Источники:

• Заказ проводников и сопровождающих по интернету в 2019

Магнитный лак для ногтей появился на рынке несколько лет назад. Правда, задолго до появления в широкой продаже это средство уже мелькало в лимитированных коллекциях некоторых брендов. Особенность продукта - широкие возможности для дизайна. С помощью специальных магнитов ногти можно украсить стилизованными звездами, снежинками, зигзагами или волнами.

Инструкция

Загадка эффекта магнитного лака в его составе. В формулу включены мельчайшие металлические частицы, которые под действием магнита выстраиваются в определенном порядке. Каждый магнит может «нарисовать» только один вид узора. Поэтому те, кто хотят разнообразия, вынуждены покупать несколько приспособлений с разными мотивами. Хорошая новость для любителей магнитных лаков - все аксессуары для создания рисунков взаимозаменяемы. Вы можете приобрести лаки одной марки и делать на них узоры магнитами другой.

Еще одна общая черта всех лаков этого типа - похожий вид покрытия. Лаки имеют плотную текстуру с перламутровым отблеском, для нанесения средства ровным слоем требуется сноровка. Палитра магнитных лаков ограничена темными сложными оттенками от черно-серого до серо-голубого. Большинство цветов имеет выраженный холодный подтон - его задают металлические частицы, присутствующие в составе.

Магнитные лаки отличаются высокой стойкостью. Однако они могут подчеркнуть все неровности ногтя. Чтобы средство лежало идеально, перед нанесением необходимо выровнять пластину полировочным бруском и нанести на нее слой защитной базы.

Если лаки марок разных ценовых категорий очень похожи, то в категории магнитов царит разнообразие. Начинающим стоит обратить внимание на , укрепленные на подставке - ими гораздо удобнее пользоваться. Достаточно поместить палец на специальную платформу начнет действовать. Пластинки, которые нужно самостоятельно держать над накрашенным ногтем, менее удобны - не всегда удается правильно рассчитать расстояние, необходимое для появления рисунка. Если же поднести пластинку слишком близко, легко смазать свеженанесенный лак.

Самый популярный рисунок для магнитного маникюра - звезда или снежинка. На втором месте разнообразные полосы. Волны и зигзаги встречаются реже, а магниты с необычными узорами вроде цветов или сердечек почти не выпускаются.

Маникюр с магнитным лаком имеет некоторые особенности. Средство наносят довольно толстым слоем, свеженакрашенный ноготь немедленно помещается под магнит. Чем дольше держать магнит над лаком и чем ближе он будет расположен, тем ярче получится рисунок. Наносить на него блестящие топы, жидкие сушки и другие средства нельзя - они размоют поверхность магнитного лака, и узор станет плохо виден. На сушку потребуется не меньше получаса, зато покрытие получится прочным и будет держаться не менее 5 дней.

Видео по теме

Полезный совет

Выбирая узор, учтите, что звезды и поперечные полосы делают ногти короче и шире, а зигзаги, продольные волны и вертикальные полоски наоборот, удлиняют пластину.

Магнитное поле Земли

Глубоко под нашими ногами, под толщей Земной коры находится то, что вот уже много миллиардов лет согревает планету Земля изнутри – огромный океан вязкой раскаленной магмы. Эта магма состоит из множества веществ, в том числе и из металлов, которые очень хорошо проводят электрический ток. На всей планете под поверхностью Земли движутся микроскопические электроны, создавая электрическое, а с ним и магнитное поле.

Перемещение геомагнитных полюсов

Магнитное поле Земли имеет два полюса: Северный геомагнитный полюс (находится в планеты) и Южный геомагнитный полюс (находится в северном полушарии планеты). Одно из самых широко известных необычных явлений, касающихся магнитного поля Земли – это географическое передвижение геомагнитных полюсов.

Дело в том, что на магнитное поле воздействует сразу несколько факторов, способствующих его нестабильному положению. Это и взаимодействие с осью вращения Земли, и различное давление земной коры на разных участках планеты, и приближение/удаление космических тел (Солнца, Луны), и, в большей степени, передвижение магмы.

Поток магмы представляет собой гигантскую мантийную реку, которая движется под воздействием солнечной радиации и вращения Земли с запада на восток. Но, поскольку размеры этой реки огромны, она, как и обычная река, не может двигаться стабильно ровно. Конечно, в идеальных условиях русло мантийной реки должно бы проходить вдоль экватора. В этом случае географические и магнитные полюса Земли совпадали бы. Но природные условия таковы, что во время движения магма ищет зоны наименьшего сопротивления потоку (зоны низкого давления коры) и продвигается к ним, сдвигая при этом магнитное поле и геомагнитные полюса.

Магнитные аномалии

Нестабильность мантийной реки влияет не только на магнитные полюса, но и на возникновение особых зон, названных «магнитными аномалиями». Магнитные аномалии не имеют постоянного месторасположения, могут становиться сильнее/слабее, различаются размерами и причинами возникновения.

Самое распространенное явление – локальные магнитные аномалии (менее 100 квадратных метров). Они встречаются везде, расположены в хаотичном порядке и возникают, в основном, под воздействием месторождений полезных ископаемых, расположенных слишком близко к поверхности Земли.

Другие магнитные аномалии – региональные (до 10 000 квадратных километров). Они возникают вследствие изменения магнитного поля. Их размер и сила зависит от строения земной коры в данной местности. Например, при переходе равнинной местности в гористую, происходит резкий подъем земной коры, как на поверхности Земли, так и под ней. При таком изменении рельефа, скорость движения потока магмы резко увеличивается, частицы вещества сталкиваются друг с другом и возникают колебания в магнитном поле. Одни из самых известных региональных аномалий – Курская и Гавайская.

Самыми крупными являются континентальные магнитные аномалии (площадью более 100 000 квадратных километров). Они обязаны своим возникновением разломами коры Земли и воздействием земной оси. Например, Восточносибирская аномалия вследствие сдвига земной оси именно в эту сторону. Вдобавок, горные хребты разделили мантийную реку на два рукава, текущих в разных направлениях, вследствие чего стрелка компаса будет иметь в этом районе в западное . У берегов Канады складывается другая ситуация. Там находится огромная площадь соприкосновения мантийной реки с корой Земли, вследствие которой возникает напряженность магнитного поля, которая, в свою очередь, оттягивает ось Земли на себя.

Однако самая интересная магнитная аномалия находится на юге Атлантического океана. Магнитная река там поворачивает в противоположную сторону, тем самым меняя магнитное поле таким образом, что эта область противоположна остальному южному полушарию. Эта аномалия знаменита тем, что несколько раз у космонавтов, пролетающих над ней, ломалась мелкая электроника.

Магнитные аномалии разбросаны по всей планете, не имеют постоянного расположения, они появляются и исчезают, становятся сильнее или слабее. Помимо всего прочего, годы исследований показали, что геомагнитное поле планеты слабеет, а магнитные аномалии становятся все сильнее.

Магнитный конструктор и развитие ребенка

Магнитные конструкторы появились на рынке сравнительно недавно. Приобретая набор из магнитов, взрослые часто плохо представляют себе, что же они купили. Для того чтобы разобраться в принципах работы , стоит почитать инструкцию. В инструкции вы найдете несколько вариантов сборки базовых моделей. Магнитные конструкторы предназначены для создания разнообразных фигур и форм, в том числе и объемных.

Главное достоинство магнитного конструктора заключается в том, что он не загоняет фантазию ребенка в рамки, а позволяет ему творить. В инструкции можно найти несколько базовых фигур, сложив которые, ребенок научится «управлять» своей новой игрушкой. Затем подключается фантазия, и малыш начинает творить, создавая новые, фантастические фигуры.

В основе действия магнитного конструктора лежит соединение различных деталей. Внутри каждой детали находятся магниты. При помощи магнитов элементы можно присоединять друг к другу любой стороной. Существует несколько модификаций магнитных наборов. Для самых маленьких – магнитные доски с плоскими элементами. Для детей постарше – детали, позволяющие создавать большие трехмерные фигуры. Большой популярностью пользуются наборы из маленьких магнитных шариков и палочек.

Применение в обучении

Использование конструкторов с магнитными элементами позволяет перенести процесс обучения на новый уровень. Создание из маленьких деталей развивает двигательные навыки, помогает открыть в ребенке новые способности. В процессе игры ребенок узнает о разнообразии форм, учится координироваться свои движения.

Учителя используют магнитные конструкторы в качестве наглядных пособий. Из деталей можно построить форму, демонстрирующую структуру молекул. Или воссоздать человеческий скелет в трехмерной проекции. Или показать детям объемные геометрические формы. Возможность осмотреть и потрогать модели различных фигур в несколько раз повышает уровень усвоения нового материала в школе.

Правила безопасности

Магнитные конструкторы содержат много мелких деталей, поэтому покупать их следует с осторожностью, учитывая возрастные особенности детей. Особенно опасны маленькие магнитные шарики, входящие в состав многих наборов. Эти детали с легкостью могут проникнуть в рот, ухо, нос ребенка. Поэтому рекомендуется покупать магнитные доски с большими деталями.

Можно показать, как пользоваться законом Ампера, определив магнитное поле вблизи провода. Зададим вопрос: чему равно поле вне длинного прямолинейного провода цилиндрического сечения? Мы сделаем одно предположение, может быть, не столь уж очевидное, но тем не менее правильное: линии поля В идут вокруг провода по окружности. Если мы сделаем такое предположение, то закон Ампера [уравнение (13.16)] говорит нам, какова величина поля. В силу симметрии задачи поле В имеет одинаковую величину во всех точках окружности, концентрической с проводом (фиг. 13.7). Тогда можно легко взять линейный интеграл от B·ds. Он равен просто величине В, умноженной на длину окружности. Если радиус окружности равен r, то

Полный ток через петлю есть просто ток / в проводе, поэтому

Напряженность магнитного поля спадает обратно пропорционально r, расстоянию от оси провода. При желании уравнение (13.17) можно записать в векторной форме. Вспоминая, что В направлено перпендикулярно как I, так и r, имеем

Мы выделили множитель 1/4πε 0 с 2 , потому что он часто появляется. Стоит запомнить, что он равен в точности 10 - 7 (в системе единиц СИ), потому что уравнение вида (13.17) используется для определения единицы тока, ампера. На расстоянии 1 м ток в 1 а создает магнитное поле, равное 2·10 - 7 вебер/м 2 .

Раз ток создает магнитное поле, то он будет действовать с некоторой силой на соседний провод, по которому также проходит ток. В гл. 1 мы описывали простой опыт, показывающий силы между двумя проводами, по которым течет ток. Если провода параллельны, то каждый из них перпендикулярен полю В другого провода; тогда провода будут отталкиваться или притягиваться друг к другу. Когда токи текут в одну сторону, провода притягиваются, когда токи противоположно направлены,— они отталкиваются.

Возьмем другой пример, который тоже можно проанализировать с помощью закона Ампера, если еще добавить кое-какие сведения о характере поля. Пусть имеется длинный провод, свернутый в тугую спираль, сечение которой показано на фиг. 13.8. Такая спираль называется соленоидом. На опыте мы наблюдаем, что когда длина соленоида очень велика по сравнению с диаметром, то поле вне его очень мало по сравнению с полем внутри. Используя только этот факт и закон Ампера, можно найти величину поля внутри.

Поскольку поле остается внутри (и имеет нулевую дивергенцию), его линии должны идти параллельно оси, как показано на фиг. 13.8. Если это так, то мы можем использовать закон Ампера для прямоугольной «кривой» Г на рисунке. Эта кривая проходит расстояние L внутри соленоида, где поле, скажем, равно В о, затем идет под прямым углом к полю и возвращается назад по внешней области, где полем можно пренебречь. Линейный интеграл от В вдоль этой кривой равен в точности В 0 L, и это должно равняться 1/ε 0 с 2 , умноженному на полный ток внутри Г, т. е. на NI (где N - число витков соленоида на длине L ). Мы имеем

Или же, вводя n - число витков на единицу длины соленоида (так что n = N/L ), мы получаем

Что происходит с линиями В, когда они доходят до конца соленоида? По-видимому, они как-то расходятся и возвращаются в соленоид с другого конца (фиг. 13.9). В точности такое же поле наблюдается вне магнитной палочки. Ну а что же такое магнит? Наши уравнения говорят, что поле В возникает от присутствия токов. А мы знаем, что обычные железные бруски (не батареи и не генераторы) тоже создают магнитные поля. Вы могли бы ожидать, что в правой части (13.12) или (16.13) должны были бы быть другие члены, представляющие «плотность намагниченного железа» или какую-нибудь подобную величину. Но такого члена нет. Наша теория говорит, что магнитные эффекты железа возникают от каких-то внутренних токов уже учтенных членом j.

Вещество устроено очень сложно, если рассматривать его с глубокой точки зрения; в этом мы уже убедились когда пытались понять диэлектрики. Чтобы не прерывать нашего изложения, отложим подробное обсуждение внутреннего механизма магнитных материалов типа железа. Пока придется принять, что любой магнетизм возникает за счет токов и что в постоянном магните имеются постоянные внутренние токи. В случае железа эти токи создаются электронами, вращающимися вокруг собственных осей. Каждый электрон имеет такой спин, который соответствует крошечному циркулирующему току. Один электрон, конечно, не дает большого магнитного поля, но в обычном куске вещества содержатся миллиарды и миллиарды электронов. Обычно они вращаются любым образом, так что суммарный эффект исчезает. Удивительно то, что в немногих веществах, подобных железу, большая часть электронов крутится вокруг осей, направленных в одну сторону,— у железа два электрона из каждого атома принимают участие в этом совместном движении. В магните имеется большое число электронов, вращающихся в одном направлении, и, как мы увидим, их суммарный эффект эквивалентен току, циркулирующему по поверхности магнита. (Это очень похоже на то, что мы нашли в диэлектриках,— однородно поляризованный диэлектрик эквивалентен распределению зарядов на его поверхности.) Поэтому не случайно, что магнитная палочка эквивалентна соленоиду.

Магнитное поле проводника с током. При прохождении тока по прямолинейному проводнику вокруг него возникает магнитное поле (рис. 38). Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током.
Направление 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. Его формулируют следующим образом. Если поступательное движение буравчика 1 (рис. 39, а) совместить с направлением тока 2 в проводнике 3, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий 4 магнитного поля вокруг проводника. Например, если ток проходит по проводнику в направлении от нас за плоскость листа книги (рис. 39, б), то магнитное поле, возникающее вокруг этого проводника, направлено по часовой стрелке. Если ток по проводнику проходит по направлению от плоскости листа книги к нам, то магнитное поле вокруг проводника направлено против часовой стрелки. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле. При изменении направления тока магнитное поле также изменяет свое направление.
По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, индукция магнитного поля и его напряженность уменьшаются. Напряженность магнитного поля в пространстве, окружающем проводник,

H = I/(2?r) (44)

Максимальная напряженность Н max имеет место на внешней поверхности проводника 1 (рис. 40). Внутри проводника также

возникает магнитное поле, но напряженность его линейно уменьшается по направлению от внешней поверхности к оси (кривая 2). Магнитная индукция поля вокруг и внутри проводника изменяется таким же образом, как и напряженность.

Способы усиления магнитных полей. Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое устройство называют обмоткой, или катушкой.
При проводнике, согнутом в виде витка (рис. 41, а), 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 (рис. 41, б) и их силовые линии соединяются в общий магнитный поток. 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, обтекаемой током, имеет такую же форму, как и поле прямолинейного постоянного магнита (см. рис. 35, а): силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят В другой ее конец. Поэтому катушка, обтекаемая током, представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такое устройство называется электромагнитом.
Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Они создают магнитное поле, необходимое для работы электрических машин, а также электродинамические усилия, требуемые. Для работы различных электроизмерительных приборов и электрических аппаратов.
Электромагниты могут иметь разомкнутый или замкнутый магнитопровод (рис. 42). Полярность конца катушки электромагнита можно определить, как и полярность постоянного магнита, при помощи магнитной стрелки. К северному полюсу она поворачивается южным концом. Для определения направления магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно использовать также правило буравчика. Если совместить направление вращения рукоятки с направлением тока в витке или катушке, то поступательное движение буравчика укажет направление магнитного поля. Полярность электромагнита можно определить и с помощью правой руки. Для этого руку надо положить ладонью на катушку (рис. 43) и совместить четыре пальца с направлением в ней тока, при этом отогнутый большой палец покажет направление магнитного поля.

Электрический ток в проводнике образует магнитное поле вокруг проводника. Электрический ток и магнитное поле - это две неотделимые друг от друга части единого физического процесса. Магнитное поле постоянных магнитов в конечном счете также порождается молекулярными электрическими токами, образованными движением электронов по орбитам и вращением их вокруг своих осей.

Магнитное поле проводника и направление его силовых линий можно определить при помощи магнитной стрелки. Магнитные линии прямолинейного проводника имеют форму концентрических окружностей, расположенных в плоскости, перпендикулярной проводнику. Направление магнитных силовых линий зависит от направления тока в проводнике. Если ток в проводнике идет от наблюдателя, то силовые линии направлены по часовой стрелке.

Зависимость направления поля от направления тока определяется правилом буравчика: при совпадении поступательного движения буравчика с направлением тока в проводнике направление вращения ручки совпадает с направлением магнитных линий.

Правилом буравчика можно пользоваться и для определения направления магнитного поля в катушке, но в следующей формулировке: если направление вращения рукоятки буравчика совместить с направлением тока в витках катушки, то поступательное движение буравчика покажет направление силовых линий поля внутри катушки (рис. 4.4).

Внутри катушки эти линии идут от южного полюса к северному, а вне ее - от северного к южному.

Правилом буравчика можно пользоваться также и при определении направления тока, если известно направление силовых линий магнитного поля.

На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, равная

F = I·L·B·sin

I - сила тока в проводнике; B - модуль вектора индукции магнитного поля; L - длина проводника, находящегося в магнитном поле;  - угол между вектором магнитного поля инаправлением тока впроводнике.

Силу, действующую на проводник с током в магнитном поле, называют силой Ампера.

Максимальная сила Ампера равна:

F = I·L·B

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника с током, то есть силы Ампера.

Если и лежат в одной плоскости, то угол между и прямой, следовательно . Тогда сила, действующая на элемент тока ,

(разумеется, со стороны первого проводника на второй действует точно такая же сила).

Результирующая сила равна одной из этих сил. Если эти два проводника будут воздействовать на третий, тогда их магнитные поля и нужно сложить векторно.

Контур с током в магнитном поле

Рис. 4.13

Пусть в однородное магнитное поле помещена рамка с током (рис. 4.13). Тогда силы Ампера, действующие на боковые стороны рамки, будут создавать вращающий момент, величина которого пропорциональна магнитной индукции, силе тока в рамке, ее площади S и зависит от угла a между вектором и нормалью к площади :

Направление нормали выбирают так, чтобы в направлении нормали перемещался правый винт при вращении по направлению тока в рамке.

Максимальное значение вращательный момент имеет тогда, когда рамка устанавливается перпендикулярно магнитным силовым линиям:

Это выражение также можно использовать для определения индукции магнитного поля:

Величину, равную произведению , называют магнитным моментом контура Р т . Магнитный момент есть вектор, направление которого совпадает с направлением нормали к контуру. Тогда вращательный момент можно записать

При угле a = 0 вращательный момент равен нулю. Значение вращательного момента зависит от площади контура, но не зависит от его формы. Поэтому на любой замкнутый контур, по которому течет постоянный ток, действует вращательный момент М , который поворачивает его так, чтобы вектор магнитного момента установился параллельно вектору индукции магнитного поля.

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

Национальный минерально-сырьевой университет ”Горный”

Кафедра Общей и технической физики

(лаборатория электромагнетизма)

Изучение магнитного поля

(закон Био–Савара–Лапласа)

Методические указания к лабораторной работе № 4

Для студентов всех специальностей

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

Цель работы: Измерение магнитных полей, создаваемых проводниками различных конфигураций. Экспериментальная проверка закона Био–Савара–Лапласа.

Теоретические основы лабораторной работы

Использование магнитного поля в промышленности нашло широкое применение. Проблема передачи энергии до тех или иных промышленных и др. установок может быть решена при помощи магнитного поля (например, в трансформаторах). В обогатительном деле при помощи магнитного поля производят сепарацию (магнитные сепараторы), т.е. отделяют полезные ископаемые от пустой породы. А в процессе производства искусственных абразивов ферросилиций, присутствующий в смеси, оседает на дно печи, но небольшие его количества внедряются в абразив и позже удаляются магнитом. Без магнитного поля не смогли бы работать электромашинные генераторы и электродвигатели. Термоядерный синтез, магнитодинамическое генерирование электроэнергии, ускорение заряженных частиц в синхротронах, подъём затонувших судов и др. – всё это области, где требуются магниты. Природные магниты, как правило, не достаточно эффективны в решении некоторых производственных проблем и используются в основном только в бытовой технике и в измерительной аппаратуре. Основное применение магнитное поле находит в электротехнике, радиотехнике, приборостроении, автоматике и телемеханике. Здесь ферромагнитные материалы идут на изготовление магнитопроводов, реле и др. магнитоэлектрических приборов. Естественные (или природные) магниты встречаются в природе в виде залежей магнитных руд. В горном деле вопросам разработки залежей магнитных руд посвящены отдельные разделы и имеют свою специфику, например, есть такие науки, как магнетохимия и магнитная дефектоскопия. В Тартуском университете находится самый крупный известный естественный магнит. Его масса составляет 13 кг, и он способен поднять груз в 40 кг. Проблема создания сильных магнитных полей стала одной из основных в современной физике и технике. Сильные магниты можно создавать проводниками с током. В 1820 Г. Эрстед (1777–1851) обнаружил, что проводник с током воздействует на магнитную стрелку, поворачивая ее. Буквально неделей позже Ампер показал, что два параллельных проводника с током одного направления притягиваются друг к другу. Позднее он высказал предположение, что все магнитные явления обусловлены токами, причем магнитные свойства постоянных магнитов связаны с токами, постоянно циркулирующими внутри этих магнитов. Это предположение полностью соответствует современным представлениям. Магнитное поле постоянных токов различной формы изучалось французскими учеными Ж. Био (1774 – 1862) и Ф. Саваром (1791 – 1841). Результаты этих опытов были обобщены выдающимся французским математиком и физиком П. Лапласом. Закон Био-Савара-Лапласа совместно с принципом суперпозиции позволяет рассчитывать магнитные поля, создаваемые любыми проводниками с током.

Изучение закономерностей протекания магнитных явлений позволит обобщить приобретенные знания и успешно использовать их как в лабораторных условиях, так и в производстве.

Магнитное поле прямолинейного проводника с током

Проводник, по которому протекает электрический ток, создает магнитное поле. Магнитное поле характеризуется вектором напряженности `H (рис. 1), который можно вычислить по формуле

`H = òd`H .

Cогласно закону Био-Савара-Лапласа,

где I – сила тока в проводнике, d `l – вектор, имеющий длину элементарного отрезка проводника и направленный по направлению тока, `r – радиус вектор, соединяющий элемент с рассматриваемой точкой P .

Рассмотрим магнитное поле, создаваемое прямолинейным проводником с током конечной длины (рис. 2). Отдельные элементарные участки этого проводника создают поля d`H , направленные в одну сторону (перпендикулярно плоскости чертежа), поэтому напряженность магнитного поля в точке P может быть найдена интегрированием:

Имеем l = r o ×сtga, так что Кроме того, Поэтому

После интегрирования получим

, (1)

где r o – кратчайшее расстояние от точки P до проводника с током, a 1 и a 2 – углы между крайними элементами проводника и соответствующими радиус-векторами PA и PB.

Если определять напряженность в точках, расположенных на перпендикуляре, восстановленном к середине проводника, то cosa 2 = cos(180° – a 1) = –cosa 1 и, следовательно,

(cosa 1 – cosa 2) = 2cosa 1 = . (2)

С учетом выражения (2) формулу (1) можно записать в виде

. (3)

Учитывая, что в настоящей работе длина проводника 2b много больше расстояния r 0 от проводника до точки наблюдения магнитного поля, формулу (3) можно записать в виде

Поэтому индукция магнитного поля рассчитывается по формуле:

где m 0 – магнитная постоянная, m – магнитная проницаемость среды (для воздуха m = 1)