основные параметры характеризующие магнитное поле

Основные характеристики магнитного поля

Магнитное поле представляет собой особую форму материи которая проявляется через механическое взаимодействие токов и через возникновение ЭДС в проводниках движущихся в этом поле. Оно обнаруживается вокруг движущихся электрических зарядов, следовательно и вокруг проводника с током.

Графическое изображение магнитного поля

Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми линиями, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля; магнитные силовые линии всегда являются непрерывными и замкнутыми.

Для того что бы определить направление магнитного поля можно воспользоваться магнитной стрелкой, или правилом буравчика.

Основные характеристики магнитного поля

Магнитная индукция B — это векторная величина определяющая силу действующую на заряженную частицу со стороны магнитного поля. Измеряется в теслах Тл.

B = Ф/S

магнитная постоянная.

µ — относительная магнитная проницаемость — табличная величина (для вакуума = 1)

Магнитный поток Ф — скалярная физическая величина числено равная произведению магнитной индукции на площадь поверхности ограниченной замкнутым контуром. Измеряется в веберах Вб.

Магнитный поток через контур максимален,если плоскость контура перпендикулярна магнитному полю.

Тогда магнитный поток рассчитывается по формуле:

Φ_max = B · S

Магнитный поток через контур равен нулю,если контур располагается параллельно магнитному полю.

Напряженность H – это векторная величина независящая от магнитных свойств среды. Измеряется в ампер на метр А/М.

Магнитная проницаемость. Магнитная индукция зависит не только от силы тока, проходящего по проводнику или катушке, но и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, служит магнитная проницаемость_.

Источник

Основные параметры магнитного поля

Параметры магнитного поля

Пространство, где проявляется действие магнитных сил. Графически магнитное поле изображается магнитными силовыми линиями направленными от северного полюса к южному.

Магнитное поле в проводниках с электрическим током

Если по проводнику протекает ток, то вокруг проводника создаётся магнитное поле направление которого определяется по правилу Буравчика.

Соленоид – проводник, свёрнутый в спираль.

Если по соленоиду протекает постоянный ток, то он ведёт себя как обыкновенный магнит, на его торцах образуется северный и южный полюс.

Намагничивающая сила соленоида прямо пропорционально ампер – витков.

Ф = К × I × W

В радиотехнике применяются соленоиды с сердечниками для увеличения интенсивности магнитного поля.

Ф = К × I × W × µ

µ – магнитная проницаемость

Параметры магнитного поля

Магнитная индукция ( В )

Размерность 1Тл (тесла)

Количество силовых линий приходится на данную площадь

Ф = B × S 1_Вб (Вебер)

Напряжённость магнитного поля ( Н )

Н – это отношение полного тока пронизывающего данную поверхность к длине магнитной силовой линии.

Намагничивание ферромагнитного материала

Из графика видно с увеличением Н растёт магнитная индукция.

Перемагничивание ферромагнитного материала

В зависимости от вида петли гистерезиса, различают магнитные материалы.

Магнитомягкие материалы, – петля гистерезиса узкая магнитная индукция малой величины, такие материалы работают в качестве сердечников трансформаторов и дросселей в цепях переменного тока.

Магнитотвердые материалы – магнитная индукция значительной величины, из таких материалов выполняют постоянные магниты.

В радиотехнике применяют также ферриты с прямой петлёй гистерезиса.

Проводник с током в магнитном поле

Если по проводнику протекает ток, то вокруг него возникает магнитное поле которое взаимодействует с внешним магнитным полем. И в результате проводник какбы выталкивается из магнитного поля.

Такое явление применяется в электродвигателях, тестерах и т.д.

Электрон в магнитном поле (кинескопа)

Если электрон движется в магнитном поле то его собственное магнитное поле взаимодействует с магнитным полем отклоняющей системы ( ОС ) и в результате траектория электрона изменяется.

Источник

Магнитное поле — определение, основные характеристики и свойства

Слово «магнит» раньше было неизвестно, но на сегодняшний день у каждого ребенка есть игрушка с использованием магнита, также создаются украшения, магниты используются в медицине. В XIX веке датский физик Эстерд провел эксперимент с действием магнитного поля. После него работу магнитного поля изучил француз Андре-Мари Ампер. И на сегодняшний день это понятие изучается в школе и имеет широкую известность.

Основные характеристики магнитного поля

Магнитное поле (далее обозначается: МП) — это такая материя, которая находится и движется вокруг токов (электрических зарядов).

МП возникает из:

Для исследования МП применяют рамку с током.

Рамка с током — непрерывный ровный контур с током.

Свойства МП:

Графически изобразить МП можно в виде линий или линий индукции.

История открытия МП

Изучение МП началось в XIII веке француз Петр Перегрин заметил на плоскости магнита МП с помощью стальных игл. Петр установил, что линии МП перекрещиваются и образуют две точки, которые он назвал полюсами.

Ученый Эстерд в 1819 году увидел движущуюся стрелку компаса рядом с проводником тока. В связи с этим он сделал вывод, что есть какая-то связь между МП и электрическим полем.

И только через пять лет Ампер смог описать взаимосвязь магнита с проводником (их действующую друг на друга силу). Так появился закон Ампера.

Еще через семь лет Фарадей провел опыт и обнаружил явление электромагнитной индукции, то есть он установил, что изменение МП влияет на проводник.

И по прошествии 33 лет Максвел объединил и математически описал все полученные ранее знания.

Магнитная индукция

Магнитная индукция (МИ) — силовое определение МП. Это векторная величина.

Одной из главных характеристик МП является векторный потенциал.

Формула индукции магнитного поля измеряется через вектор магнитной индукции (В).

где Fmax — наибольшая сила, воздействующая от МП на проводнике; I — сила тока в проводнике; l — длина.

Вектор МИ имеет единицы измерения — теслы (Тл).

Направление вектора МИ — это направление от южного полюса к северному магнитной стрелки, установленной в МП.

Линия МИ — несуществующая прямая, где в любом месте вектор МИ направлен к ней по касательной.

Свойства магнитной линии:

Чем больше магнитных линий, тем сильнее МП.

Если рассматривать МП в свободном пространстве (без окружающей его среды), то используют понятие не вектор МИ, а вектор напряженности (Н), равный разности вектора МИ и вектор намагниченности (М).

Если полей более одного, то вектор МИ определяется по принципу суперпозиции: МИ основного поля, которое состоит из многих источников, можно найти через сумму МИ всех полей, входящих в состав МП.

Электрическое поле

Электрическое поле (ЭП) — материя, созданная заряженными частицами, взаимодействующими между собой.

Количественно ЭП можно характеризовать понятием напряженность электрического поля. Так как сила имеет направленность, то и напряженность имеет направление, поэтому это векторная величина. Данную напряженность можно определить по формуле:

F — сила, которая влияет на заряд,

q — величина заряда.

Так же как и МИ, напряженность нескольких электрических полей можно вычислить по принципу суперпозиции.

Виды ЭП:

Магнитное взаимодействие

Магнитное взаимодействие — соединение или разъединение электрически незаряженных проводников при пропускании через них электричества.

Магнитное взаимодействие можно трактовать так: каждый перемещающийся электрический заряд вызывает МП, влияющее на перемещающиеся заряженные частицы.

Взаимосвязь проводников, по которым движется ток: если токи движутся в одну сторону, то проводники соединяются, если токи движутся в разные стороны, то проводники отталкиваются.

МП — это следствие появления понятия электрического поля. МП совместно с электрическим образуют электромагнитное поле.

Прямой ток

Магнитное поле проводника с током проходит по прямой, около которой возникает МП. МП около проводника с током проходит по круговой спирали. Направление магнитного поля и тока проходит в одну сторону. А в какую сторону, можно найти по правилу буравчика: если буравчик движется в ту же сторону, что и электрические заряды в проводнике, то направление обращения ручки буравчика соответствует направлению вектора МИ.

МП прямого тока — МП, ток которого идет по прямому кабелю большой длины.

Магнитные линии МП прямого тока — кривые линии, имеющие форму окружности, которые окружают проводник. В данном случае для того, чтобы найти направления силовых линий МП, применяют правило правой руки: если проводник держать в правой руке, большой палец будет направлен в сторону тока, а другие четыре пальца показывают направление силовых линий МП.

Понятие однородности

Однородное МП — это поле, вектор МИ которого постоянный.

Параметры однородности МП:

Неоднородное МП — это поле, у которого линии искривлены, расстояние между ними неоднородное и напряжение меняется от точки к точке.

Сила Ампера

Сила Ампера — сила, воздействующая на проводник с электрическими зарядами, который расположен в МП.

Закон Ампера: на проводник с током, который расположен в МП, воздействует определенная сила. Данную силу можно рассчитать по формуле:

где I — сила тока в проводнике;

l — длина проводника;

а — угол между проводником и вектором.

Для того чтобы узнать направление силы Ампера, основатель данной силы открыл правило левой руки: если перпендикуляр вектора МИ упирается в ладонь, а четыре пальца указывают в сторону тока, то большой палец, расположенный под прямым углом к остальным, направлен в сторону силы Ампера.

Понятие магнит

Магнит — это тело, которое имеет собственное МП.

Главное качество магнитов — способность притягивать предметы из железа или его сплавов (сталь, чугун).

Магниты делятся на 2 вида:

Постоянные магниты — это тела, которые долгое время создают МП.

Переменные МП и электрические существуют только совместно, так как МП порождает электрическое, а электрическое поле порождает МП.

Область, где качества магнита демонстрируются с наибольшей силой, называются полюсами. Магнит имеет два полюса: северный (N) и южный (S). Два одинаковых поля (N — N) отталкиваются, а противоположные (N — S) — притягиваются.

Если постоянный магнит разделить напополам, то у этих частей окажется также два полюса.

Алгоритм решения задачи

Для решения задачи о действии МП на проводники с током можно использовать следующий алгоритм:

Источник

Магнитное поле

Магнитное поле – особая форма материи, существующая вокруг движущихся электрических зарядов – токов.

Источниками магнитного поля являются постоянные магниты, проводники с током. Обнаружить магнитное поле можно по действию на магнитную стрелку, проводник с током и движущиеся заряженные частицы.

Для исследования магнитного поля используют замкнутый плоский контур с током (рамку с током).

Впервые поворот магнитной стрелки около проводника, по которому протекает ток, обнаружил в 1820 году Эрстед. Ампер наблюдал взаимодействие проводников, по которым протекал ток: если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются, если токи в проводниках текут в противоположных направлениях, то они отталкиваются.

Свойства магнитного поля:

Важно!
Магнитное поле не является потенциальным. Его работа на замкнутой траектории может быть не равна нулю.

Магнитным взаимодействием называют притяжение или отталкивание электрически нейтральных проводников при пропускании через них электрического тока.

Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов объясняется так: всякий движущийся электрический заряд создает в пространстве магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы.

Силовая характеристика магнитного поля – вектор магнитной индукции ​ \( \vec \) ​. Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, к силе тока в проводнике ​ \( I \) ​ и его длине ​ \( l \) ​:

1 Тл – это индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила 1 Н.

Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением от южного полюса к северному полюсу магнитной стрелки (направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки), свободно установившейся в магнитном поле.

Направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика:

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Для определения магнитной индукции нескольких полей используется принцип суперпозиции:

магнитная индукция результирующего поля, созданного несколькими источниками, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым источником в отдельности:

Поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению, называется однородным.

Наглядно магнитное поле изображают в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукции – это воображаемая линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.

Свойства магнитных линий:

Густота расположения позволяет судить о величине поля: чем гуще расположены линии, тем сильнее поле.

На плоский замкнутый контур с током, помещенный в однородное магнитное поле, действует момент сил ​ \( M \) ​:

где ​ \( I \) ​ – сила тока в проводнике, ​ \( S \) ​ – площадь поверхности, охватываемая контуром, ​ \( B \) ​ – модуль вектора магнитной индукции, ​ \( \alpha \) ​ – угол между перпендикуляром к плоскости контура и вектором магнитной индукции.

Тогда для модуля вектора магнитной индукции можно записать формулу:

где максимальный момент сил соответствует углу ​ \( \alpha \) ​ = 90°.

В этом случае линии магнитной индукции лежат в плоскости рамки, и ее положение равновесия является неустойчивым. Устойчивым будет положение рамки с током в случае, когда плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции.

Взаимодействие магнитов

Постоянные магниты – это тела, длительное время сохраняющие намагниченность, то есть создающие магнитное поле.

Основное свойство магнитов: притягивать тела из железа или его сплавов (например стали). Магниты бывают естественные (из магнитного железняка) и искусственные, представляющие собой намагниченные железные полосы. Области магнита, где его магнитные свойства выражены наиболее сильно, называют полюсами. У магнита два полюса: северный ​ \( N \) ​ и южный ​ \( S \) ​.

Важно!
Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса и входят в южный полюс.

Разделить полюса магнита нельзя.

Объяснил существование магнитного поля у постоянных магнитов Ампер. Согласно его гипотезе внутри молекул, из которых состоит магнит, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи ориентированы определенным образом, то их действия складываются и тело проявляет магнитные свойства. Если эти токи расположены беспорядочно, то их действие взаимно компенсируется и тело не проявляет магнитных свойств.

Магниты взаимодействуют: одноименные магнитные полюса отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Магнитное поле проводника с током

Электрический ток, протекающий по проводнику с током, создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле.

Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током.

Направление линий 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: если поступательное движение буравчика (1) совпадает с направлением тока (2) в проводнике, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий (4) магнитного поля вокруг проводника.

При изменении направления тока линии магнитного поля также изменяют свое направление.

По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, индукция магнитного поля уменьшается.

Направление тока в проводнике принято изображать точкой, если ток идет к нам, и крестиком, если ток направлен от нас.

Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое устройство называют катушкой.

В проводнике, согнутом в виде витка, 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. 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 с током имеет такую же форму, как и поле прямолинейного постоянного магнита: силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят в другой ее конец. Поэтому катушка с током представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такую катушку называют электромагнитом.

Направление линий магнитной индукции катушки с током находят по правилу правой руки:

если мысленно обхватить катушку с током ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в ее витках, тогда большой палец укажет направление вектора магнитной индукции.

Для определения направления линий магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно использовать также правило буравчика:

если вращать ручку буравчика по направлению тока в витке или катушке, то поступательное движение буравчика укажет направление вектора магнитной индукции.

Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Полярность электромагнита (направление магнитного поля) можно определить и с помощью правила правой руки.

Сила Ампера

Сила Ампера – сила, которая действует на проводник с током, находящийся в магнитном поле.

Закон Ампера: на проводник c током силой ​ \( I \) ​ длиной ​ \( l \) ​, помещенный в магнитное поле с индукцией ​ \( \vec \) ​, действует сила, модуль которой равен:

где ​ \( \alpha \) ​ – угол между проводником с током и вектором магнитной индукции ​ \( \vec \) ​.

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​ \( B_\perp \) ​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.

Сила Ампера не является центральной. Она направлена перпендикулярно линиям магнитной индукции.

Сила Ампера широко используется. В технических устройствах создают магнитное поле с помощью проводников, по которым течет электрический ток. Электромагниты используют в электромеханическом реле для дистанционного выключения электрических цепей, магнитном подъемном кране, жестком диске компьютера, записывающей головке видеомагнитофона, в кинескопе телевизора, мониторе компьютера. В быту, на транспорте и в промышленности широко применяют электрические двигатели. Взаимодействие электромагнита с полем постоянного магнита позволило создать электроизмерительные приборы (амперметр, вольтметр).

Простейшей моделью электродвигателя служит рамка с током, помещенная в магнитное поле постоянного магнита. В реальных электродвигателях вместо постоянных магнитов используют электромагниты, вместо рамки – обмотки с большим числом витков провода.

Коэффициент полезного действия электродвигателя:

где ​ \( N \) ​ – механическая мощность, развиваемая двигателем.

Коэффициент полезного действия электродвигателя очень высок.

Алгоритм решения задач о действии магнитного поля на проводники с током:

Сила Лоренца

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Формула для нахождения силы Лоренца:

где ​ \( q \) ​ – заряд частицы, ​ \( v \) ​ – скорость частицы, ​ \( B \) ​ – модуль вектора магнитной индукции, ​ \( \alpha \) ​ – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​ \( B_\perp \) ​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.

Если заряд частицы отрицательный, то направление силы изменяется на противоположное.

Важно!
Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно.

В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.

Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:

где ​ \( m \) ​ – масса частицы, ​ \( v \) ​ – скорость частицы, ​ \( B \) ​ – модуль вектора магнитной индукции, ​ \( q \) ​ – заряд частицы.

В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для вычисления периода обращения частицы:

Угловая скорость движения заряженной частицы:

Важно!
Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца изменяется направление скорости частицы.

Важно!
Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:

Особенности движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах – устройствах для измерения масс заряженных частиц; ускорителях частиц; для термоизоляции плазмы в установках «Токамак».

Алгоритм решения задач о действии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:

Источник