3347

Магнитное поле и его характеристики

Лекция

Физика

Магнитное поле и его характеристики План лекции: Магнитное поле. Индукция и напряженность магнитного поля. Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного потока. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение для расчета магнитных полей. Теорема о циркул...

Русский

2012-10-29

673 KB

240 чел.

Магнитное поле и его характеристики

План лекции:

Магнитное поле. Индукция и напряженность магнитного поля.

Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного потока.

Закон Био-Савара-Лапласа и его применение для расчета магнитных полей.

Теорема о циркуляции вектора  (закон полного тока) и ее применение для расчета магнитных полей.

  1.  Магнитное поле, его свойства и характеристики.

Магнитное поле - форма существования материи, окружающей движущиеся электрические заряды (проводники с током, постоянные магниты).

Это название обусловлено тем, что, как обнаружил в 1820 году датский физик Ханс Эрстед, оно оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку. Опыт Эрстеда: под проволокой с током помещалась магнитная стрелка, вращающаяся на игле. При включении тока она устанавливалась перпендикулярно проволоке; при изменении направления тока поворачивалась в противоположную сторону.

Основные свойства магнитного поля:

порождается движущимися электрическими зарядами, проводниками с током, постоянными магнитами и переменным электрическим полем;

действует с силой на движущиеся электрические заряды, проводники с током, намагниченные тела;

переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле.

Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер и должно иметь векторную силовую характеристику. Ее обозначают  и называют магнитной индукцией.

Магнитное поле изображается графически с помощью магнитных силовых линий или линий магнитной индукции. Магнитными силовыми линиями называются линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются железные опилки или оси маленьких магнитных стрелок. В каждой точке такой линии вектор  направлен по касательной.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты, что говорит об отсутствии в природе магнитных зарядов и вихревом характере магнитного поля.

Условно они выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Густота линий выбирается так, чтобы число линий через единицу площади, перпендикулярную магнитному полю, было пропорционально величине магнитной индукции.

Направление линий определяется правилом правого винта. Соленоид - катушка с током, витки которой расположены вплотную друг к другу, а диаметр витка много меньше длины катушки.

Магнитное поле внутри соленоида является однородным. Магнитное поле называется однородным, если вектор  в любой точке постоянен.

Магнитное поле соленоида аналогично магнитному полю полосового магнита.

Соленоид с током представляет собой электромагнит.

Опыт показывает, что для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: индукция магнитного поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме индукций магнитных полей, создаваемых каждым током или зарядом:

Вектор   вводится одним из 3-х способов:

а) из закона Ампера;

б) по действию магнитного поля на рамку с током;

в) из выражения для силы Лоренца.

Ампер экспериментально установил, что сила  с которой магнитное поле действует на элемент проводника  с током I, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна силе

тока I и векторному произведению элемента длины   на магнитную индукцию :

- закон Ампера

Направление вектора  может быть найдено согласно общим правилам векторного произведения, откуда следует правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы магнитные силовые линии входили в нее, а 4 вытянутых пальца направить по току, то отогнутый большой палец покажет направление силы.

Сила, действующая на провод конечной длины, найдется интегрированием по всей длине.

При  I = const,  B=const,  F = BIlsin  

Если   =900,  F = BIl

 Индукция магнитного поля - векторная физическая величина, численно равная силе, действующей в однородном магнитном поле на проводник единичной длины с единичной силой тока, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям.

1Тл - индукция однородного магнитного поля, в котором на проводник длиной 1м с током в 1А, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям, действует сила 1Н.

До сих пор мы рассматривали макротоки, текущие в проводниках. Однако, согласно предположению Ампера, в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах. Эти микроскопические молекулярные токи создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в полях макротоков, создавая в теле дополнительное магнитное поле. Вектор  характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками, т.е. при одном и том же макротоке вектор в различных средах имеет разные значения.

Магнитное поле макротоков описывается вектором магнитной напряженности .

Для однородной изотропной среды

,

0= 410-7Гн/м - магнитная постоянная, 0= 410-7Н/А2,

- магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков изменяется за счет поля микротоков среды.

  1.   Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного потока.

Потоком вектора (магнитным потоком) через площадку dS называется скалярная величина, равная

 

где  - проекция  на направление нормали к площадке;

- угол между векторами   и .

- направленный элемент поверхности,

Поток вектора - алгебраическая величина,

если  - при выходе из поверхности;

если  - при входе в поверхность.

Поток вектора магнитной индукции через произвольную поверхность S равен

Для однородного магнитного поля =const,

  

 1 Вб - магнитный поток, проходящий через плоскую поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно однородному магнитному полю, индукция которого равна 1 Тл.

Магнитный поток через поверхность S численно равен количеству магнитных силовых линий, пересекающих данную поверхность.

Поскольку линии магнитной индукции всегда замкнуты, для замкнутой поверхности число линий, входящих в поверхность (Ф<0) равно числу линий, выходящих из нее (Ф >0), следовательно, полный поток магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю.

- теорема Гаусса: поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю.

Эта теорема является математическим выражением того, что в природе отсутствуют магнитные заряды, на которых начинались бы или заканчивались линии магнитной индукции.

  1.  Закон Био-Савара-Лапласа и его применение для расчета магнитных полей.

Магнитное поле постоянных токов различной формы было подробно исследовано фр. учеными Био и Саваром. Ими было установлено, что во всех случаях магнитная индукция в произвольной точке пропорциональна силе тока, зависит от формы, размеров проводника, расположения этой точки по отношению к проводнику и от среды.

Результаты этих опытов были обобщены фр. математиком Лапласом, который учел векторный характер магнитной индукции и высказал гипотезу о том, что индукция  в каждой точке представляет собой, согласно принципу суперпозиции, векторную сумму индукций  элементарных магнитных полей, создаваемых каждым участком этого проводника.

или .

Лапласом в 1820 г. был сформулирован закон, который получил название закона Био-Савара-Лапласа: каждый элемент  проводника с током  создает магнитное поле, вектор индукции которого  в некоторой произвольной точке К определяется по формуле:

- закон Био-Савара-Лапласа.

Из закона Био-Совара-Лапласа следует, что направление вектора  совпадает с направлением векторного произведения . Такое же направление дает и правило правого винта (буравчика).

Учитывая, что ,

- элемент проводника, сонаправленный с током;

- радиус-вектор, соединяющий  c точкой K;

- угол между и .

Закон Био-Савара-Лапласа имеет практическое значение, т.к. позволяет найти в заданной точке пространства индукцию магнитного поля тока, текущего по проводнику конечный размеров и произвольной формы.

Для тока произвольной формы подобный расчет  представляет собой сложную математическую задачу. Однако, если распределение тока имеет определенную симметрию, то применение принципа суперпозиции совместно с законом Био-Савара-Лапласа дает возможность относительно просто рассчитать конкретные магнитные поля.

Рассмотрим некоторые примеры.

А. Магнитное поле прямолинейного проводника с током.

 

 

  1.  для проводника конечной длины:

  1.  для проводника бесконечной длины: 1 = 0,  2 =

.

Б. Магнитное поле в центре кругового тока:

 

 =900, sin=1,

  1.  Теорема о циркуляции вектора  (закон полного тока) и ее применение для расчета магнитных полей.

Эрстедом в 1820 году экспериментально было обнаружено, что циркуляция  по замкнутому контуру, окружающему систему макротоков, пропорциональна алгебраической сумме этих токов. Коэффициент пропорциональности зависит от выбора системы единиц и в СИ равен 1.

Циркуляцией вектора  называется интеграл по замкнутому контуру.

Эта формула носит название теоремы о циркуляции  или закона полного тока:

циркуляция вектора напряженности магнитного поля по произвольному замкнутому контуру равна алгебраической сумме макротоков (или полному току), охватываемых этим контуром.

Если, кроме токов проводимости, есть еще ток смещения (переменное электрическое поле), то и его надо включить в сумму токов.

а) поле прямолинейного бесконечного проводника с током:

- согласно теореме о циркуляции.

 

- на окружности

 

 - т.к.   = 1 - для воздуха

б) поле  внутри длинного соленоида с током.

Каждая силовая линия проходит обязательно как внутри соленоида, так и вне его. Подавляющее число линий вне соленоида проходит на расстоянии от него порядка длины соленоида  l. Если длина соленоида во много раз больше его радиуса, то поле вне соленоида пренебрежимо мало по сравнению  с полем внутри него.

Если    

B=0H=0nI

где    - длина соленоида;

N - число витков;

n - число витков на единице длины.

в) поле тороида.

 

 

L - длина средней линии тороида.


Магнитное соленоида с током

Магнитное поле прямого тока

Магнитное поле

полосового магнита

Однородное поле

Силовая линия

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

.

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

.

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

Ø

Ø

+

_

Ø

EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  

. EMBED Equation.3  

EMBED Equation.3  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

75931. Демографическая ситуация и демографическая политика РФ на современном этапе 17.94 KB
  С конца 90х годов XX века демографическая проблема рассматривается как фактор национальной безопасности с 2000 года обсуждается демографическая ситуация в России и меры по ее оптимизации. В 2001 году число жителей России уменьшилось почти на 1 миллион человек. Сохранение нынешнего уровня рождаемости и смертности населения может привести к тому что уже через 15 лет население России уменьшится еще на 10 млн человек.
75932. Деятельность Государственной Думы и Совета Федерации в конце 20 века 20.16 KB
  Среди принятых федеральные конституционные законы Об арбитражных судах в Российской Федерации и О Конституционном Суде Российской Федерации О референдуме Российской Федерации; первая часть Гражданского кодекса; Семейный Водный Арбитражный процессуальный кодексы. Успехи: Вклад в развитие парламентаризма Установилось взаимодействие между Государственной думой и советом федерации начали складываться рабочие отношения между госдумы с Президентов РФ Правительством Рф и министерствами и ведомствами РФ. Государственная дума также...
75933. Избирательная система РФ и ее эволюция в конце 20 века 22.87 KB
  Граждане Российской Федерации имеют право участвовать в управлении делами государства как непосредственно так и через своих представителей. Граждане Российской Федерации имеют право избирать и быть избранными в органы государственной власти и органы местного самоуправления а также участвовать в референдуме. Президент Российской Федерации избирается сроком на шесть лет гражданами Российской Федерации на основе всеобщего равного и прямого избирательного права при тайном голосовании. Президентом Российской Федерации может быть избран гражданин...
75934. Конституция РФ 1993 года: порядок принятия и основные особенности 19.87 KB
  Необходимость разработки и принятия новой конституции РФ была официально признана еще в середине 1990 г. и тогда же на I Съезде народных депутатов РСФСР была создана Конституционная комиссия которая за четыре месяца подготовила и опубликовала для широкого обсуждения первый проект новой конституции. В это время наряду с проектом Конституционной комиссии были внесены и ряд других проектов Конституции РФ которые также обсуждались в указанной комиссии и общественностью.
75935. Культурная политика РФ в конце ХХ – начале ХХI века 19.74 KB
  Повсеместному пользуются самыми сверхустойчивыми образцами действий которые Александр Архангельский называет матрицами российской культуры. Наблюдается в обществе кризис морали и кризис нынешнего состояния культуры психологическое здоровье российского общества. Мы знаем огромное количество поведенческих предписаний скрывающихся за фразой специфика российской культуры. Существенно возросла роль Министерства культуры РФ в разработке культурной политики в стране в продвижении проблем культуры в органы власти.
75936. Левые политические силы в РФ и их эволюция 24.17 KB
  Важной особенностью формирования социально-демократического направления стало то, что начало было положено на окраинах, где социальный гнет сопровождался национальным. В конце 1890-х гг. сложилась армянская социал-демократическая партия
75937. Либеральные и правые политические партии в РФ и их эволюция 18.95 KB
  Распад КПСС и возникновение многопартийности В первой половине 1990 г. происходит углубление политического размежевания на сторонников и противников курса Горбачева внутри КПСС. Сторонники консервативной оппозиции выступали за сплочение КПСС на ленинских основах сохранение классового подхода вместо общечеловеческих ценностей уничтожение частной собственности на основе общего владения средствами производства. Одновременно в лагере либеральной оппозиции возникло демократическое движение коммунистов которое предполагало достичь обновления...
75938. Межнациональные отношения и миграционные процессы в РФ в начале ХХI века 18.75 KB
  Однако сейчас в современной России безусловно одна из самых острых проблем – межнациональные отношения. По мнению эксперта фонда Карнеги Лилии Незамовой Сегодня многонациональность России дополняется и усложняется эффектами полиэтничности иммиграцией из бывших республик Советского Союза вьетнамской китайской афганской и др. Премьерминистр Дмитрий Медведев утвердил в августе федеральную целевую программу Укрепление единства российской нации и этнокультурное развитие народов...
75939. Место и роль России в современных международных процессах: оценки и дискуссии 18.05 KB
  Геополитическое положение России уникально она находится между двумя крупнейшими центрами современной мировой экономики. Вместе с тем геополитическое положение России подразумевает высокую ответственность и требует серьезных усилий при его использовании. Тем не менее в ряде важнейших областей реальное положение России в мире...