Линии магнитного поля прямого проводника с током. Про магнитное поле, соленоиды и электромагниты

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.

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.

Поднести магнитную стрелку, то она будет стремиться стать перпендикулярно плоскости, проходящей через ось проводника и центр вращения стрелки. Это указывает на то, что на стрелку действуют особые силы, которые называются магнитными силами . Кроме действия на магнитную стрелку, магнитное поле оказывает влияние на движущиеся заряженные частицы и на проводники с током, находящиеся в магнитном поле. В проводниках, движущихся в магнитном поле, или в неподвижных проводниках, находящихся в переменном магнитном поле, возникает индуктивная электродвижущая сила (э. д. с.).

Магнитное поле

В соответствии с вышесказанным мы можем дать следующее определение магнитного поля.

Магнитным полем называется одна из двух сторон электромагнитного поля, возбуждаемая электрическими зарядами движущихся частиц и изменением электрического поля и характеризующаяся силовым воздействием на движущиеся зараженные частицы, а стало быть, и на электрические токи.

Если продеть через картон толстый проводник и пропустить по нему электрический ток, то стальные опилки, насыпанные на картон, расположатся вокруг проводника по концентрическим окружностям, представляющим собой в данном случае так называемые магнитные индукционные линии (рисунок 1). Мы можем передвигать картон вверх или вниз по проводнику, но расположение стальных опилок не изменится. Следовательно, магнитное поле возникает вокруг проводника по всей его длине.

Если на картон поставить маленькие магнитные стрелки, то, меняя направление тока в проводнике, можно увидеть, что магнитные стрелки будут поворачиваться (рисунок 2). Это показывает, что направление магнитных индукционных линий меняется с изменением направления тока в проводнике.

Магнитные индукционные линии вокруг проводника с током обладают следующими свойствами: 1) магнитные индукционные линии прямолинейного проводника имеют форму концентрических окружностей; 2) чем ближе к проводнику, тем гуще располагаются магнитные индукционные линии; 3) магнитная индукция (интенсивность поля) зависит от величины тока в проводнике; 4) направление магнитных индукционных линий зависит от направления тока в проводнике.

Чтобы показать направление тока в проводнике, изображенном в разрезе, принято условное обозначение, которым мы в дальнейшем будем пользоваться. Если мысленно поместить в проводнике стрелку по направлению тока (рисунок 3), то в проводнике, ток в котором направлен от нас, увидим хвост оперения стрелы (крестик); если же ток направлен к нам, увидим острие стрелы (точку).

Рисунок 3. Условное обозначение направления тока в проводниках

Правило буравчика позволяет определить направление магнитных индукционных линий вокруг проводника с током. Если буравчик (штопор) с правой резьбой будет двигаться поступательно по направлению тока, то направление вращения ручки будет совпадать с направлением магнитных индукционных линий вокруг проводника (рисунок 4).

Магнитная стрелка, внесенная в магнитное поле проводника с током, располагается вдоль магнитных индукционных линий. Поэтому для определения ее расположения можно также воспользоваться "правилом буравчика" (рисунок 5). Магнитное поле есть одно из важнейших проявлений электрического тока и не может быть получено независимо и отдельно от тока.

Рисунок 4. Определение направления магнитных индукционных линий вокруг проводника с током по "правилу буравчика"	Рисунок 5. Определение направления отклонений магнитной стрелки, поднесенной к проводнику с током, по "правилу буравчика"

Магнитная индукция

Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции, который имеет, следовательно, определенную величину и определенное направление в пространстве.

Количественное выражение для магнитной индукции в результате обобщения опытных данных установлено Био и Саваром (рисунок 6). Измеряя по отклонению магнитной стрелки магнитные поля электрических токов различной величины и формы, оба ученых пришли к выводу, что всякий элемент тока создает на некотором расстоянии от себя магнитное поле, магнитная индукция которого ΔB прямо пропорциональна длине Δl этого элемента, величине протекающего тока I , синусу угла α между направлением тока и радиусом-вектором, соединяющим интересующую нас точку поля с данным элементом тока, и обратно пропорциональна квадрату длины этого радиус-вектора r :

где K – коэффициент, зависящий от магнитных свойств среды и от выбранной системы единиц.

В абсолютной практической рационализованной системе единиц МКСА

где µ 0 – магнитная проницаемость вакуума или магнитная постоянная в системе МКСА:

µ 0 = 4 × π × 10 -7 (генри/метр);

генри (гн ) – единица индуктивности; 1 гн = 1 ом × сек .

µ – относительная магнитная проницаемость – безразмерный коэффициент, показывающий, во сколько раз магнитная проницаемость данного материала больше магнитной проницаемости вакуума.

Размерность магнитной индукции можно найти по формуле

Вольт-секунда иначе называется вебером (вб ):

На практике встречается более мелкая единица магнитной индукции – гаусс (гс ):

Закон Био Савара позволяет вычислить магнитную индукцию бесконечно длинного прямолинейного проводника:

где а – расстояние от проводника до точки, где определяется магнитная индукция.

Напряженность магнитного поля

Отношение магнитной индукции к произведению магнитных проницаемостей µ × µ 0 называется напряженностью магнитного поля и обозначается буквой H :

B = H × µ × µ 0 .

Последнее уравнение связывает две магнитные величины: индукцию и напряженность магнитного поля.

Найдем размерность H :

Иногда пользуются другой единицей измерения напряженности магнитного поля – эрстедом (эр ):

1 эр = 79,6 а /м ≈ 80 а /м ≈ 0,8 а /см .

Напряженность магнитного поля H , как и магнитная индукция B , является векторной величиной.

Линия, касательная к каждой точке которой совпадает с направлением вектора магнитной индукции, называется линией магнитной индукции или магнитной индукционной линией .

Магнитный поток

Произведение магнитной индукции на величину площадки, перпендикулярной направлению поля (вектору магнитной индукции), называется потоком вектора магнитной индукции или просто магнитным потоком и обозначается буквой Ф:

Ф = B × S .

Размерность магнитного потока:

то есть магнитный поток измеряется в вольт-секундах или веберах.

Более мелкой единицей магнитного потока является максвелл (мкс ):

1 вб = 108 мкс .
1 мкс = 1 гс × 1 см 2.

Видео 1. Гипотеза Ампера

Видео 1. Гипотеза Ампера

Видео 2. Магнетизм и электромагнетизм

Рассмотрим прямолинейный проводник (рис.3.2) , который является частью замкнутой электрической цепи. По закону Био-Савара-Лапласа вектор магнитной индукции
поля, создаваемого в точкеА элементом проводника с токомI , имеет значение
, где- угол между векторамии. Для всех участковэтого проводника векторыилежат в плоскости чертежа, поэтому в точкеА все векторы
, создаваемые каждым участком, направлены перпендикулярно к плоскости чертежа (к нам). Векторопределяется по принципу суперпозиции полей:

,

его модуль равен:

.

Обозначим расстояние от точки А до проводника . Рассмотрим участок проводника
. Из точкиА проведем дугу С D радиуса ,
– мал, поэтому
и
. Из чертежа видно, что
;
, но
(CD =
) Поэтому имеем:

.

Для получаем:

где и- значения угла для крайних точек проводникаMN .

Если проводник бесконечно длинный, то
,
. Тогда

индукция в каждой точке магнитного поля бесконечно длинного прямолинейного проводника с током обратно пропорциональна кратчайшему расстоянию от этой точки до проводника .

3.4. Магнитное поле кругового тока

Рассмотрим круговой виток радиуса R , по которому течет ток I (рис. 3.3). По закону Био- Савара- Лапласа индукция
поля, создаваемого в точкеО элементом витка с током равна:

,

причём
, поэтому
, и
. С учётом сказанного получаем:

.

Все векторы
направлены перпендикулярно к плоскости чертежа к нам, поэтому индукция

напряженность
.

Пусть S – площадь, охватываемая круговым витком,
. Тогда магнитная индукция в произвольной точке оси кругового витка с током:

,

где – расстояние от точки до поверхности витка. Известно, что
- магнитный момент витка. Его направление совпадает с векторомв любой точке на оси витка, поэтому
, и
.

Выражение для по виду аналогично выражению для электрического смещения в точках поля, лежащих на оси электрического диполя достаточно далеко от него:

.

Поэтому магнитное поле кольцевого тока часто рассматривают как магнитное поле некоторого условного «магнитного диполя», положительным (северным) полюсом считают ту сторону плоскости витка, из которой магнитные силовые линии выходят, а отрицательным (южным) – ту, в которую входят.

Для контура тока, имеющего произвольную форму:

,

где - единичный вектор внешней нормали к элементуповерхностиS , ограниченной контуром. В случае плоского контура поверхность S – плоская и все векторы совпадают.

3.5. Магнитное поле соленоида

Соленоид - это цилиндрическая катушка с большим числом витков провода. Витки соленоида образуют винтовую линию. Если витки расположены вплотную, то соленоид можно рассматривать как систему последовательно соединенных круговых токов. Эти витки (токи) имеют одинаковый радиус и общую ось (рис.3.4).

Рассмотрим сечение соленоида вдоль его оси. Кружками с точкой будем обозначать токи, идущие из-за плоскости чертежа к нам, а кружочком с крестиком - токи, идущие за плоскость чертежа, от нас. L – длина соленоида, n – число витков, приходящихся на единицу длины соленоида; - R - радиус витка. Рассмотрим точку А , лежащую на оси
соленоида. Ясно, что магнитная индукцияв этой точке направлена вдоль оси
и равна алгебраической сумме индукций магнитных полей, создаваемых в этой точке всеми витками.

Проведем из точки А радиус – вектор к какому-либо витку. Этот радиус-вектор образует с осью
уголα . Ток, текущий по этому витку, создает в точке А магнитное поле с индукцией

.

Рассмотрим малый участок
соленоида, он имеет
витков. Эти витки создают в точкеА магнитное поле, индукцию которого

.

Ясно, что расстояние по оси от точки А до участка
равно
; тогда
.Очевидно,
, тогда

Магнитная индукция полей, создаваемых всеми витками, в точке А равна

Напряженность магнитного поля в точке А
.

Из рис.3. 4 находим:
;
.

Таким образом, магнитная индукция зависит от положения точки А на оси соленоида. Она

максимальна в середине соленоида:

.

Если L >> R , то соленоид можно считать бесконечно длинным, в этом случае
,
,
,
; тогда

;
.

На одном из концов длинного соленоида
,
или
;
,
,
.

Зависит ли величина индукции магнитного поля от той среды, в которой оно образовано? Для того чтобы ответить на этот вопрос, проделаем такой опыт. Определим сначала силу (см. рис. 117), с которой магнитное поле действует на проводник с током в воздухе (принципиально это надо делать в вакууме), а затем силу действия магнитного поля на данный проводник, например в воде, содержащей порошок окиси железа (на рисунке сосуд показан пунктиром). В среде из окиси железа магнитное поле действует на проводник с током с большей силой. В этом случае величина индукции магнитного поля больше. Есть вещества, например серебро, медь, в которых она меньше, чем в вакууме. Величина индукции магнитного поля зависит от среды, в которой оно образуется.

Величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данной среде больше или меньше, чем индукция магнитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью среды. Если индукция магнитного поля среды В, а вакуума В 0 , то магнитная проницаемость среды

Магнитная проницаемость среды μ - величина безразмерная. Для разных веществ она различная. Так, для мягкой стали - 2180, воздуха - 1,00000036, меди - 0,999991 . Это объясняется тем, что различные вещества неодинаково намагничиваются в магнитном поле.

Выясним, от чего зависит индукция магнитного поля прямого проводника с током. Возле прямолинейного участка А витка провода (рис. 122) поместим индикатор С индукции магнитного поля. Включим ток. Магнитное поле участка А, действу на рамку индикатора, поворачивает ее, что вызывает отклонение стрелки от нулевого положения. Изменяя реостатом силу тока в рамке, замечаем, что во сколько раз усиливается, ток в проводнике, во столько же раз увеличивается и отклонение стрелки индикатора: В~I .

Оставляя силу тока неизменной, будем увеличивать расстояние между проводником и рамкой. По показанию индикатора замечаем, что индукция.магнитного поля обратно пропорциональна расстоянию от проводника до исследуемой точки поля: В~ I / R . Величина индукции магнитного поля зависит от магнитных, свойств среды - от ее магнитной проницаемости. Чем больше магнитная проницаемость, тем больше индукция магнитного поля: B~μ .

Теоретически и более точными экспериментами французские физики Био, Савар и Лаплас установили, что величина индукции магнитного поля прямого провода малого сечения в однородной среде с магнитной проницаемостью μ на расстоянии R от него равна

Здесь μ 0 - магнитная постоянная. Найдем ее числовое значение и наименование в системе СИ. Так как индукция магнитного поля в то же время равна то, приравняв эти две формулы, получим

Отсюда магнитная постоянная Из определения ампера мы знаем, что отрезки параллельных проводников длиной l = 1 м , находясь на расстоянии R = 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой F = 2*10 -7 н, когда по ним идет ток I = 1 а. Исходя из этого, вычислим μ 0 (приняв μ = 1):

А теперь выясним, от чего зависит индукция магнитного поля внутри катушки с током. Соберем электрическую цепь (рис. 123). Поместив рамку индикатора индукции магнитного поля внутрь катушки, замкнем цепь. Увеличивая силу тока в 2, 3 и 4 раза, замечаем, что соответственно во столько же раз возрастает и индукция магнитного поля внутри катушки: В~I .

Определив индукцию магнитного поля внутри катушки, увеличим число витков, приходящихся на единицу ее длины. Для этого соединим последовательно две одинаковые катушки и одну из них вставим в другую. Реостатом установим прежнюю силу тока. При этой же длине катушки l число витков n в ней увеличилось в два раза и, как следствие этого, увеличилось в два раза число витков, приходящихся на единицу длины катушки.