7335

Закон полного тока для магнитного поля в вакууме

Лекция

Физика

Тема: Закон полного тока для магнитного поля в вакууме Вихревой характер магнитного поля. Циркуляция вектора магнитной индукции. Закон полного тока для магнитного поля в вакууме Применение закона полного тока к расчету магнитного ...

Русский

2013-01-21

85.5 KB

93 чел.

Тема: Закон полного тока для магнитного поля в вакууме

  1.  

  1.  Вихревой характер магнитного поля. Циркуляция вектора магнитной индукции.

Закон полного тока для магнитного поля в вакууме

  1.  Применение закона полного тока к расчету магнитного пол

  1.  

  1.  Магнитное поле тороида (тороидальной катушки)

  1.  

  1.  Магнитное поле соленоида

  1.  Вихревой характер магнитного поля. Циркуляция вектора магнитной индукции. Закон полного тока для магнитного поля в вакууме

Раньше было показано, что линии магнитной индукции поля прямого тока представляют собой концентрические окружности, охватывающие проводник. Можно показать, что это имеет место для магнитного поля любого тока. То есть силовые линии магнитного поля замкнуты. Поля с замкнутыми силовыми линиями называются вихревыми. Следовательно, магнитное поле является вихревым. В этом состоит отличие магнитного поля от электростатического, силовые линии которого не замкнуты.

Циркуляцией вектора  по замкнутому контуру  L называется интеграл вида

, (1)

где dlэлемент контура.

Вычислим циркуляцию вектора  по некоторому замкнутому контуру L c радиусом α, охватывающему проводник с силой тока I. Для простоты расчетов выберем длинный проводник, и рассматриваемый контур совместим с одной из силовых линий. В этом случае любой из элементов контура будет совпадать по направлению с вектором , значение магнитной индукции в любой точке контура будет одинаковым и интеграл (1) имеет вид

. (2)

Магнитная индукция, создаваемая длинным проводником с силой тока I на расстоянии α, определяется известной формулой

. (3)

Подставив формулу (3) в формулу (2) для циркуляции получим

. (4)

Повторив приведенный вывод для другого контура, с другим  радиусом, можно убедиться, что циркуляция не зависит от его размера. Можно также показать, что циркуляция не зависит и от формы контура, главное, чтобы контур охватывал проводник с током. Таким образом, формула (4) справедлива для любого контура, охватывающего проводник с током. Циркуляция вектора магнитной индукции по контуру L, охватывающему N проводников с токами Ii, с учетом принципа суперпозиции, определится формулой

, (5)

где – алгебраическая сумма токов, охватываемых контуром L.

Формула (5) является математической формулой закона полного тока для магнитного поля в вакууме, которому можно дать такое определение

циркуляция вектора магнитной индукции по любому замкнутому контуру L равна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром.

При этом каждый ток учитывается столько раз, сколько раз он охватывается контуром. Например, для приведенного на рисунке случая . Если контур не охватывает ток, то циркуляция вектора  по такому контуру равна нулю.

Закон полного тока справедлив не только в вакууме, но в любой среде. Он позволяет вычислять индукцию магнитного поля без применения закона Био-Савара-Лапласа, что намного облегчает вычисления.

  1.  Применение закона полного тока к расчету магнитного поля
    1.  Магнитное поле тороида (тороидальной катушки)

Тороидом называется кольцевая катушка, витки которой намотаны на каркас, имеющий форму тора («бублика»). На рисунке показано сечение тороида плоскостью, проходящей через его осевую линию. Для простоты положим, что витки плотно прилегают друг к другу и намотаны из провода, диаметр которого много меньше радиуса тороида. В этом случае линии магнитной индукции будут иметь форму окружностей, центры которых лежат на прямой, проходящей через центр тороида, и перпендикулярной плоскости чертежа. Применение закона полного тока сводится к выбору контура и расчету циркуляции. По закону полного тока контур может быть любой формы и любых размеров. Для простоты расчетов мы будем выбирать контуры, совпадающие с линиями магнитной индукции. Тогда в любой точке выбранного контура значение магнитной индукции будет одинаковым, и циркуляция будет равна

. (6)

Применив закон полного тока, получим

. (7)

Если rr1, то такой контур не охватывает токов, =0, циркуляция равна нулю и В=0. Если rr2, то при числе витков равном N контур будет охватывать 2N  проводников с током. Причем, в N из них ток течет в одном направлении, а в Nв противоположном. Алгебраическая сумма токов во всех проводниках будет равна нулю, циркуляция будет равна нулю и В=0. Таким образом, вне тороида магнитное поле отсутствует, оно сосредоточено (локализовано) в области r1<r<r2. Контур радиуса r, лежащий внутри тороида, охватывает  N  проводников с током I одного направления. Поэтому по формуле (7) для магнитной индукции внутри тороида получим

или . (8)

Магнитная индукция на осевой линии тороида определяется формулой

или , (9)

где  – число витков на единицу длины.

  1.  Магнитное поле соленоида

Если неограниченно увеличивать средний радиус  тороида, сохраняя неизменным диаметр обмотки и густоту витков n, то в пределе получится бесконечно длинная прямая катушка, называемая соленоидом. Магнитная индукция вне соленоида отсутствует, как и у тороида оно сосредоточено внутри. Причем линии магнитной индукции направлены параллельно оси. Для нахождения магнитной индукции поля соленоида выделим мысленно  участок конечной длины l и проведем контур 1-2-3-4-1. Циркуляцию вектора  по этому контуру можно представить как сумму циркуляций по отдельным участкам

. (10)

На участках 1-2 и 3-4 элементы контура перпендикулярны вектору , поэтому первый и третий интегралы равны нулю (см. формулу (1)). Участок 4-1 лежит вне соленоида, где магнитная индукция равна нулю, поэтому четвертый интеграл в формуле (10) также равен нулю. Следовательно, циркуляция магнитной индукции по контуру 1-2-3-4-1 равна

. (11)

Теперь применим закон полного тока (5)

, (12)

где N – число витков на длине l.

Из формулы (12) получим формулу для магнитной индукции соленоида

или . (13)

Как следует из формулы (13), магнитная индукция не зависит от расстояния. Следовательно, магнитное поле соленоида однородно.

На практике формула (13) применяется в случаях, когда диаметр d витков катушки много меньше ее длины l. Достаточно точные значения для магнитной индукции получаются при отношении .

Вопросы для самопроверки:

 

  1.  Какие поля называются вихревыми?
  2.  Что понимают под циркуляцией вектора?
  3.  Дайте определение закону полного тока для магнитного поля в вакууме.
  4.  Что такое соленоид? Какой формулой определяется магнитная индукция соленоида?  Каким является магнитное поле соленоида?


L

dl

I

B

I1

I2

I3

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

r1

rср

r2

  1.  

 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

30387. Основы автоматизированного проектирования конструкций и технологических процессов производства РЭС 197.5 KB
  Лекция: Основы автоматизированного проектирования конструкций и технологических процессов производства РЭС окончание Рассматривается сущность системного подхода к проблеме автоматизированного проектирования РЭС. Системный подход к задаче автоматизированного проектирования технологического процесса Системный подход к задачам автоматизированного проектирования требует реализации совместного проектирования технологического процесса ТП и автоматизированной системы управления этим процессом АСУТП. Традиционное раздельное рассмотрение задач...
30388. Системы автоматизированного проектирования (САПР) РЭС 147 KB
  Лекция: Системы автоматизированного проектирования САПР РЭС В лекции приводятся основные определения назначение и принципы систем автоматизированного проектирования САПР. Даются сущность и схема функционирования САПР. Показано место САПР РЭС среди других автоматизированных систем. Рассматриваются структура и разновидности САПР.
30389. Технические средства САПР и их развитие. Требования, предъявляемые к техническому обеспечению 260 KB
  Лекция: Технические средства САПР и их развитие Формулируются требования предъявляемые к техническому обеспечению САПР. Рассматриваются структура и состав технического обеспечения САПР. Основное назначение лекции дать общее представление о техническом обеспечении САПР: предъявляемых к нему требованиях структуре составе и архитектуре 5. Требования предъявляемые к техническому обеспечению Используемые в САПР технические средства должны обеспечивать: выполнение всех необходимых проектных процедур для которых имеется соответствующее...
30390. Основные особенности и достижения глобальной раннеклассовой цивилизации 37.74 KB
  Возникновение частной собственности разделение общества на классы появление социальных институтов Переход от общинной собственности к частной передаваемой по наследству членам своей семьи преодоление принципа уравнительного распределения возможность обособленного присвоения средств и результатов производства все это вызвало экономический интерес к приумножению собственности на благо отдельной личности а значит открылась возможность повышать производительность труда. социальных групп людей занимавших свое место в системе...
30391. Локальная цивилизация Древнего Египта: развитие и основные достижения 35.11 KB
  Локальная цивилизация Древнего Египта: развитие и основные достижения Эффективное использование благ Нила было невозможно без коллективного и организованного труда всех живущих в его долине. Моноотраслевая экономика экстенсивное развитие ирригационная система земледелия экономически оправданное рабство труд рабов использовался круглый год; труд на ограниченном легко контролируемом пространстве Политика. Южное направление экспансия рабы полезные ископаемые развитие ирригации. Северное направление поддержка и развитие торговых...
30392. Локальная цивилизация Древнего Шумера: развитие и основные достижения 40.75 KB
  На основе этих технологий шумеры пытаются продолжать вести хозяйство на новых землях и строят системы осушения почвы. Обслуживание ирригационной системы неизбежно привело к распространению рабского труда. Аккат Саргон Основные направления политики Саргона и его династии: создание единой ирригационной системы; поддержание постоянной армии 5400 чел. Ирригационные системы шумеров были сложнее египетских но культурных сооружений они оставили меньше.
30393. Локальная цивилизация Древнего Китая: развитие и основные достижения 35.86 KB
  Появление городской цивилизации Шан 1812 вв. В квазигосударстве Шан зарождалась пиктографическая письменность картинки. Основу культовой практики Шан составляло представление о переселении душ. союз племен Чжоу захватывает государство Шан.
30394. Локальная цивилизация Древней Персии (империя Ахеменидов): развитие и основные достижения 34.36 KB
  Рабы участвовали в экономике имели экономическую свободу так как раба не выгодно было иметь лучше продать больше продукции чем кормить его. Знать освобождается от налогов; региональная элита осуществляет экономическое управление в своей области сатрапии; кастовое общество но все социальные группы получают широкую экономическую самостоятельность; поскольку все социальные группы вовлечены в торговлю во внутреннем рынке они вынуждены пользоваться единой денежной системой и становятся зависимы от центральной власти; восточную деспотию в...
30395. Основные особенности и достижения глобальной античной цивилизации 31.46 KB
  Преобладало мелкое хозяйство крестьян и ремесленников в Римской империи создавались крупные рабовладельческие латифундии ремесленные производства. Возникают мировые империи но они недолговечны и быстро распадаются. Наиболее прочная Римская империи политическое и экономическое верховенство центраметрополии над провинциями устойчивые торговые связи смешение культур.