Электоромагнетизм

Магнитное поле.

Магнитное поле – это особый вид материи, действие которого проявляется как сила, действующую на заряженную частицу, попавшую в это поле.

Обнаружить магнитное поле можно внеся магнитную стрелку в зону действия поля, магнитная стрелка обязательно повернётся. Магнитное поле изображается магнитными силовыми линиями, которые всегда замкнуты. Эти линии можно обнаружить с помощью стальных опилок, если их насыпать вокруг магнита. Магнитное поле всегда создаётся движущимися электрическими зарядами. Поле постоянного магнита создаётся внутриатомным и внутримолекулярным движением электронов. Поле проводника с током создаётся направленным движением зарядов. И то и другое поле обладает одинаковыми свойствами и оба являются магнитными полями.

Магнитное поле прямолинейного проводника с током имеет вид концентрических окружностей (т.е. с одним центром). Направление силовых линий такого поля определяется правилом буравчика:

Рис. 1 Рис. 2

Если ввинчивать буравчик в провод таким образом, чтобы он продвигался по направлению тока, то направление вращения его рукоятки укажет на направление магнитных силовых линий. На рис.1 направление тока в проводе указано крестиком, что означает что ток направлен от наблюдателя; вворачивая буравчик по току, его рукоятка вращается по часовой стрелке, при этом магнитная стрелка, поднесённая к проводу повернётся по полю так что её северный полюс укажет направление поля. На рис.2 ток, обозначенный точкой, изменил направление и идёт к наблюдателю, магнитное поле развернёт магнитную стрелку в противоположную сторону.. Поле плоского и подковообразного магнитов имеет вид рис 3. и 4

Рис.3 Рис.4

Если проводник свернуть в спираль, то получится катушка называемая соленоидом, магнитное поле соленоида имеет вид рис.5, его направление определяется правилом наложения правой руки. Правая рука располагается так, чтобы четыре вытянутых пальца правой руки указывали направление тока в витках катушки, тогда отогнутый большой палец покажет северный полюс магнитного поля катушки

Рис. 5

Магнитные силовые линии идут от северного полюса к южному вне источника поля. Магнитное поле называется однородным, если во всех его точках магнитные силовые линии имеют одинаковые направление и плотность.

Магнитное поле прямолинейного проводника с током неоднородное. Ближе к проводу поле сильнее.

Магнитное поле обладает следующими свойствами:

1. Магнит притягивает ферромагнитные материалы.

2. В проводниках пересекающих магнитное поле и в проводниках находящихся в изменяющемся магнитном поле, индуктируется ЭДС.

3. Проводники с токами взаимно притягиваются или отталкиваются в зависимости от направления токов.

4. На проводник с током в магнитном поле действует сила.

5. Некоторые материалы в магнитном поле изменяют размеры. Это явление называется магнитострикция.

6. Магнитное поле обладает энергией.

Магнитная индукция. Закон Био-Савара.

Магнитная индукция характеризует интенсивность магнитного поля, т.е.силу, действующую на ток. В численном выражении это отношение силы, действующей на заряженную частицу с зарядом Q к произведению заряда Q на скорость V этой частицы. При этом скорость направлена так, что эта сила максимальна ; Единица измерения магнитной индукции

Тл – Тесла (фамилия учёного).

Иногда используют единицу Гаусс (Гс),

1 Гс = 10^-4 Тл.

На рис.1 показан ток I, проходящий по проводнику, S – плоскость, в которой находится элементарная (очень маленькая) длина проводника – dl; Закон Био-Савара позволяет определить индукцию в произвольной точке поля А.

Индукция обозначается В (латинское), поэтому элементарное значение индукции, созданное током I, протекающему по элементарному отрезку проводника длиной dl, будет dВ, по закону Био-Савара значение dВ можно найти по формуле

μ_A (греческая буква мю)–абсолютная магнитная проницаемость, эта величина учитывающие влияние среды на величину магнитной индукции,

r – расстояние от частички проводника dl до точки А, в которой мы определяем индукцию,, α – угол между направлением и тока и радиус-вектором r, соединяющей элемент длины с точкой А.

Магнитная индукция это векторная величина, т.е. величина имеющая направление.

Вектор её направлен перпендикулярно плоскости S, проведённый через элемент dl и радиус-вектор r.Если повернуть плоскость S вокруг оси О-О' на угол 360⁰, то точка А, расположенная на линии пересечения этой плоскости с перпендикулярной ей плоскостью S', опишет окружность. Эта окружность будет магнитной силовой линией, т.к. вектор магнитной индукции dВ будет направлен по касательной к любой точке этой окружности, а его направление определится по правилу буравчика. Так как форма проводника не всегда прямолинейна и проводник может находиться в разных плоскостях, то вектор магнитной индукции В, созданный всем проводником с током I длиной l будет равен геометрической сумме элементарных векторов dВ, т.е. В = ∫dВ, где ∫ - знак интеграла, т.е. суммы элементарных частиц.

Закон Био-Савара позволяет определять индукцию для проводников различной формы, так в центре проводника кольцевой формы индукция определится из формулы

, где D – диаметр кольцевого проводника,

Магнитная проницаемость

Один и тот же ток создаёт магнитное поле с различной индукцией в различных средах.

Для характеристики магнитных свойств среды служит величина μ а – абсолютная магнитная проницаемость, она характеризует среду с точки зрения создания определённой величины магнитной индукции. Единица измерения [μ а ] = Гн/м - генри на метр. (Генри – фамилия учёного). Для вакуума μ₀ = 4π ∙10^-7 = 125 ∙ 10^-8 Гн/м; в электротехнике μ₀ называется - магнитная постоянная. В расчётах часто пользуются относительной магнитной проницаемостью μ r, которая показывает во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость больше или меньше магнитной постоянной.

;

В зависимости от величины магнитной проницаемости все вещества делятся на диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные.

Для диамагнитных веществ μ r <1. К ним относятся кварц, водород, вода, медь, серебро и др.

Для парамагнитных веществ μ r >1. К ним относятся алюминий, кислород, воздух, платина и др. В расчётах для парамагнитных и диамагнитных веществ принимают μ r =1.

Особыми свойствами обладают ферромагнитные материалы, которые позволяют усилить магнитное поле во много раз, для них μ r >>1. Для чугуна μ r ≈600, для стали μ r ≈ 7500, для пермаллоя μ r ≈ 115000, к ним также относятся никель, кобальт и их сплавы.

Особенностью ферромагнетиков является то, что магнитная проницаемость у них зависит от интенсивности магнитного поля и температуры.

Дата добавления: 2015-07-12