Магнитное поле. Индукция магнитного поля.
Магнитное поле – особый вид материи
Согласно теории близкодействия подобно тому, как в пространстве, окружающее неподвижные заряды, возникает электрическое поле, в пространстве окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.
Электрический ток в проводнике создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на ток в другом проводнике, а поле, созданное электрическим током второго проводника, действует на первый.
Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.
Свойства магнитного поля.
1) Магнитное поле порождается электрическим током
2) Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток.
Опыт Эрстеда
Впервые о существовании магнитного поля возле проводника высказал 1828 Эрстет.
В его опыте использовалась металлическая проволока, натянутая между двух стоек. Под проволокой располагалась магнитная стрелка таким образом, что она выравнивалась по магнитному полю земли. То есть она смотрела с севера на юг. К проволоке через ключ был подключен источник тока. Изначально ток в цепи отсутствовал. А проволока располагалась параллельно стрелке.
Опыт заключался в том, что при включении тока в цепи магнитная стрелка поворачивалась на угол 90 градусов, то есть перпендикулярно проволоке. При этом она совершала несколько колебаний и успокаивалась в таком положении. При отключении тока магнитная стрелка вновь возвращалась в исходное положение. То есть, выравниваясь вдоль поля земли.
Опыт Ампера
Более детально вопрос о существовании магнитного поля возле проводника с током изучал Ампер 1828 году.
Он исследовал взаимодействие двух параллельных проводников, по которым протекали токи, а одном и противоположных направлениях. Ампер установил, что если по ним пропускать токи, текущие в противоположных направлениях, то проводники будут отталкиваться друг от друга. Если же токи будут течь в одном направлении, то они будут притягиваться
Вектор индукции магнитного поля (направление, модуль).
Все мы знаем, что есть магниты более сильные и менее сильные. Маленький магнитик сможет притянуть пару гвоздей и все, а гораздо более мощный электромагнит домофона удерживает дверь в подъезд так, что несколько взрослых мужчин не смогут открыть ее силой.
Магнитное поле характеризуется векторной величиной, которая носит название индукции магнитного поля или магнитной индукции.
Обозначается индукция буквой B.
Магнитная индукция является силовой характеристикой магнитного поля.
Магнитная индукция это не сила, действующая на проводники, это величина, которая находится через данную силу по следующей формуле:
Или в виде определения: Модуль вектора магнитной индукции B равен отношению модуля силы F, с которой магнитное поле действует на расположенный перпендикулярно магнитным линиям проводник с током, к силе тока в проводнике I и длине проводника l.
Магнитная индукция не зависит ни от силы тока, ни от длины проводника, она зависит только от магнитного поля. То есть, если мы, например, уменьшим силу тока в проводнике, не меняя больше ничего, то уменьшится не индукция, с которой сила тока связана прямо пропорционально, а сила воздействия магнитного поля на проводник. Величина же индукции останется постоянной.
В связи с этим индукцию можно считать количественной характеристикой магнитного поля.
Измеряется магнитная индукция в теслах (1 Тл). При этом 1 Тл=1 Н/(А·м).
Магнитная индукция имеет направление.
Графически ее можно зарисовывать в виде линий. Линии индукции магнитного поля это и есть то, что мы до сих пор в более ранних темах называли магнитными линиями или линиями магнитного поля. Так как мы выше вывели определение магнитной индукции, то мы можем дать определение и линиям магнитной индукции: Линии магнитной индукции это линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением вектора магнитной индукции.
В однородном магнитном поле линии магнитной индукции параллельны, и вектор магнитной индукции будет направлен так же во всех точках.
В случае неоднородного магнитного поля, например, поля вокруг проводника с током, вектор магнитной индукции будет меняться в каждой точке пространства вокруг проводника, а касательные к этому вектору создадут концентрические окружности вокруг проводника. Так и будут выглядеть линии индукции магнитного поля расширяющиеся окружности вокруг проводника.
Силовые линии магнитного поля, в отличие от электрического замкнутые.
Направление вектора магнитной индукции определяется по правилу Буравчика: Если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то вращательное движение его рукоятки указывает направление магнитных линий поля, образующегося вокруг этого проводника.
На практике будем обозначать ток, который направлен к нам точкой, от нас – крестиком.
Вектор напряженности магнитного поля
В веществе магнитное поле характеризуется вектором напряженности Н.
Направление вектора напряженности определяется также, как и вектора индукции магнитного поля. Связь между вектором магнитной индукции и вектором напряженности:
,
где μ0 = 4π·10-7 Гн/м – магнитная постоянная,
μ – магнитная проницаемость вещества.
Для вакуума или воздуха μ = 1.
Для магнитного поля
справедлив принцип суперпозиции:
Формулы вектора индукции м.п., создаваемого прямым проводником
Индукция магнитного поля бесконечно длинного прямого провода:
Учитывая знания направления индукции магнитное поля, объясним с помощью рисунков взаимодействие токов.
Применение магнитного поля
Использование электромагнитов в электроподъемных кранах для поднятия металлических грузов
Для подъема массивных грузов существуют специальные электроподъемные краны. В подъемных кранах электромагнит используется в качестве захватывающего устройства. Если выключенный электромагнит поднести к металлическому грузу и включить электрический ток, груз будет примагничиваться. Теперь примагниченный груз можно поднимать и перемещать. Для того, чтобы отпустить груз достаточно прекратить подачу тока через электромагнит.
Примеры решения задач
Задача 1. Прямолинейный проводник длиной 88 см расположен перпендикулярно к магнитным силовым линиям в однородном поле. Чему равна магнитная индукция этого поля, если на проводник действует сила 1,6Н при силе тока в нем 23 А?
Задача 2. Напряженность магнитного поля, созданного прямолинейным током в 12А, в некоторой точке равна 12,7 А/м. Определить индукцию магнитного поля в этой же точке и расстояние от нее до проводника.
Задача 3. По двум параллельным проводникам текут токи по 20 А. Расстояние между проводниками 10 см. Определить напряженность в точке, удаленной от обоих проводников на такое же расстояние 5см. Рассмотреть случай одинаковых направлений токов.
Дано: Решение
I1 = I2 = 20 А
d = 0,15 м
r1 = 0,05м
r2 = 0,1м
Н -?
Решение: Используя правило Буравчика определим направление векторов индукции магнитного поля, создаваемого каждым током.
Задачи для самостоятельного решения
1. Прямолинейный проводник длиной 100 см расположен перпендикулярно к магнитным силовым линиям в однородном поле. Чему равна магнитная индукция этого поля, если на проводник действует сила 2Н при силе тока в нем 30 А?
2. Напряженность магнитного поля, созданного прямолинейным током в 18А, в некоторой точке равна 14 А/м. Определить индукцию магнитного поля в этой же точке и расстояние от нее до проводника.
3. По двум параллельным проводникам текут токи по 20 А. Расстояние между проводниками 15 см. Определить напряженность в точке, удаленной от обоих проводников на такое же расстояние. Рассмотреть случай противоположных направлений токов.
4. По двум прямолинейным параллельным проводникам большой длины расположенным в воздухе на расстоянии 0,2 м друг от друга, текут токи 24А и 16А. Найти точки, в которых напряженность магнитного поля равна нулю при противоположных и одинаковых направлениях токов в проводнике.
Контрольные вопросы:
1. Перечислите свойства магнитного поля
2. Что называется линиями магнитной индукции?
3. Как определить модуль вектора магнитной индукции?
4. Как определить направление вектора магнитной индукции?
5. В каких единицах выражается магнитная индукция?
Домашнее задание:
Задачи:
1. Сила тока в горизонтально расположенном проводнике длиной 20 см и массой 4 г равна 10 А. Найти индукцию (модуль и направление) магнитного поля, в которое нужно поместить проводник, чтобы сила тяжести уравновесилась силой Ампера.
2. Какова индукция магнитного поля, в котором на проводник с длиной активной части 5 см действует сила 50 мН? Сила тока в проводнике 25 А. Проводник расположен перпендикулярно индукции магнитного поля.
Составить план обобщенного характера изучения величины вектор магнитной индукции.
Пункты плана
1. Какое явление и свойство тел (веществ) характеризует данная величина.
2. Определение величины.
3. Определительная формула (для производной величины – формула, выражающая связь данной величины с другими).
4. Какая величина – скалярная или векторная.
5. Единица величины в СИ.
6. Способы измерения величины