Магнитное поле. Магнитная индукция, напряженность магнитного поля. Понятие об электромагнитном поле

Природа магнитного поля была выяснена Эрстедом, который в 1820 году показал, что вокруг проводника с током образуется магнитное поле, направление которого определяется правилом «буравчика». Ампер изучил зависимость силы взаимодействия между проводниками с током от их конфигураций, установив закон, получивший его имя. Так, два параллельных проводника с токами, текущими в одном направлении, взаимодействуют с силой, приходящейся на единицу длины:

где = 4 ^.10^-7 Гн/м - абсолютная магнитная проницаемость вакуума, I₁ и I₂ -токи, текущие в проводниках, а г - расстояние между проводниками. Эта формула используется для установления основной электрической единицы системы Си - силы тока (Ампер). При силе тока в один ампер два проводника, расположенные на расстоянии один метр друг от друга взаимодействуют с силой 2 10^-7 Ньютона на один метр. Проводники с противоположно направленными токами отталкиваются. В определенном смысле формула (9) является аналогом закона Кулона.

Таким образом, можно дать определение, что магнитным полем называется особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие электрических токов или движущихся электрических зарядов.

Магнитное поле можно обнаружить с помощью магнитной стрелки, на которую будет действовать в магнитном поле пара сил. Магнитную стрелку можно заменить рамкой с током. Она характеризуется величиной магнитного момента: p_m = I^.S, равного произведению силы тока в рамке I на площадь рамки S. Магнитный момент - вектор, направление которого определяется по правилу правого винта. В магнитном поле на рамку с током действует пара сил, стремящаяся установить магнитный момент рамки по направлению внешнего магнитного поля. В соответствии с этим вводят силовую характеристику магнитного поля В, называемую индукцией магнитного поля, которая равна отношению максимального момента пары сил, действующих на рамку с током в магнитном поле к магнитному моменту этой рамки р_m:

Измеряется величина магнитной индукции в Теслах. Тл = Н^.м/А^.м².

В веществе (магнетике) магнитная индукция изменяет свое значение: В= Во, где - относительная магнитная проницаемость, В₀ - магнитная индукция поля в вакууме. Величина Н = В/ называется напряженностью магнитного поля. Найти магнитное поле, создаваемое любой конфигурацией проводников, позволяет закон Био-Савара- Лапласа. Так магнитная индукция поля, создаваемого бесконечным проводником с током, равняется:

Направление вектора индукции определяется правилом «буравчика» и совпадает с направлением касательной к окружности радиуса г, перпендикулярной вектору тока. В центре кругового проводника с током индукция равна:

В катушке индуктивности, содержащей N витков с током, длиной l, индукция равна:

где n - число витков на единицу длины катушки.

На электрический заряд, движущийся в магнитном поле со скоростью v, действует сила, называемая силой Лоренца. Численное значение этой силы равно: F_л = qvBsina, где a - угол между направлением скорости v и индукции магнитного поля В. Если разложить вектор скорости заряженной частицы на две составляющие - по направлению магнитного поля и перпендикулярно к нему, то можно видеть, что траектория движения частицы будет представлять собой винтовую линию.

На проводник с током в магнитном поле действует сила, называемая силой Ампера. Природа этой силы такая же, как и у силы Лоренца. Абсолютное значение этой силы равно: F = BIlsina, где I - ток в проводнике, 1 - длина проводника, a - угол между направлением силы тока в проводнике и вектором магнитной индукции В. Направление действия силы Ампера определяется правилом левой руки: левую руку нужно расположить так, чтобы силовые линии магнитного поля входили в ладонь, четыре пальца указывали направление силы тока, а отогнутый большой палец укажет направление действия силы.

Потоком вектора магнитной индукции В через площадь S называется интеграл от нормальной составляющей вектора В по площади S:

Поток измеряется в Веберах: Вб = Тл м.

Если поле В однородное, то индуктивность выходит из-под интеграла и поток равен: Ф_в = BScos a, где a - угол между вектором В и нормалью к плоскости контура, а S - площадь контура.

Английский физик М.Фарадей в 1831 году открыл закон, который носит его имя. Суть закона сводится к тому, что при всяком изменении магнитного потока в контуре, охватывающем площадь S, возникает электродвижущая сила магнитной индукции, равная скорости изменения потока, взятой с обратным знаком.

Знак минус выражает собой правило Ленца и является следствием закона сохранения энергии.

Таким образом, можно утверждать, что изменение магнитного поля вызывает появление электрического поля. Если контур реальный, т.е. представлен в виде проводника, то в нем будет протекать ток, порождающий магнитное поле, которое согласно правилу Ленца будет препятствовать изменениям вызвавшего его появление магнитного поля.

Частным случаем электромагнитной индукции является возникновение электродвижущей силы в контуре при изменении силы тока в этом же контуре. Магнитный поток, создаваемый в контуре, прямо пропорционален протекающему по нему току: Ф = LI, где L -индуктивность контура.

Индуктивность зависит от размера и формы контура и магнитной проницаемости среды. Единицей индуктивности является Генри.

При изменении силы тока в контуре изменяется магнитный поток, пронизывающий этот контур, что приводит к возникновению электродвижущей силы самоиндукции:

В результате самоиндукции изменение силы тока в цепи происходит не мгновенно. Поэтому, в частности, при размыкании любой реальной цепи возникает искра или дуга на контактах выключателя. Для соленоида, имеющего N витков на длине 1 и площадь поперечного сечения S, индуктивность равна: L = , т.е. зависит от геометрии катушки и относительной магнитной проницаемости материала, из которого изготовлен сердечник.

Одним из проявлений электромагнитной индукции является возникновение замкнутых индукционных токов (токи Фуко) в сплошных проводящих телах: металлических деталях, растворах электролитов, биологических тканях.

Вихревые токи образуются при перемещении проводящего тела в магнитном поле, при изменении со временем индукции поля, а также при совокупном действии обоих факторов. Сила вихревых токов зависит от электрического сопротивления тела и, следовательно, от удельного сопротивления и размеров, а также от скорости изменения магнитного потока.

В физиотерапии разогревание отдельных частей тела человека вихревыми токами назначается как лечебная процедура, называемая индуктотермией.

Единая теория электромагнитного поля была создана английским физиком Д.К.Максвеллом. В основу своей теории он положил гипотезу о том, что всякое переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле. Переменное электрическое поле было названо Максвеллом током смещения, так как оно, подобно обычному току, вызывает магнитное поле.

Чтобы найти выражение для силы тока смещения, можно рассмотреть прохождение переменного тока по цепи, в которую включен конденсатор с диэлектриком. В проводниках это обычный ток проводимости 1_пр, обусловленный изменением заряда на обкладках конденсатора. Можно предположить, что ток проводимости замыкается в конденсаторе током смещения I_см, причем I_см = I_пр = dq/dt. Заряд на обкладках конденсатора

q = CU = .

Тогда сила тока смещения:

Так как электрическое поле конденсатора однородно, то разделив силу тока на площадь пластин, получим выражение для плотности тока смещения:

Из данного выражения следует, что ток смещения направлен в сторону dE/dt. Например, при увеличении напряженности электрического поля -вдоль Е.

Магнитное поле токов смещения было экспериментально обнаружено В.К. Рентгеном.

Из основных уравнений теории Максвелла следует, что возникновение какого-либо поля, электрического или магнитного, в некоторой точке пространства влечет за собой целую цепь взаимных превращений: переменное электрическое поле порождает магнитное, а изменение магнитного поля порождает поле электрическое. Так образуется единое электромагнитное поле.

Поиск по сайту: