Как найти модуль вектора магнитной индукции формула - Исправление недочетов и поиск решений вместе с Examum.ru

Свойством поля магнитного в любой его точке с позиции силы выступает вектор магнитной индукции [overrightarrow{mathrm{B}}].

Вектор индукции магнитного поля: главные понятия

Рассмотрим определение вектора индукции магнитного поля. Индукцию определяют как предел отношения F силы, воздействующий на магнитное поле, на ток [text { Idl }] к произведению элементарного тока [text { I }] со значением элемента проводника [text { dl }]. Другими словами, магнитная индукция действует по направлению перпендикулярно [perp] по направлению тока (или по-другому к элементу проводника [text { dl }Rightarrow] из (1), а также вектор магнитной индукции поля перпендикулярен [perp] к направлению силы, которая действует с магнитного поля.

Вектор магнитной индукции однородного поля и неоднородного

Если [overrightarrow{mathrm{B}}=mathrm{const}], то поле является однородным. Если оно не изменяется с течением времени, то про него говорят, что поле постоянное.

Вектор индукции магнитного поля: важные формулы

Важно!

Формула с векторами преобразуется в модульную форму, потому что векторы задают направление, а модульная форма — значения, которые необходимы для решения задачи.

Формула

Модуль вектора индукции однородного поля находят следующим образом:

[mathrm{B}=frac{mathrm{M}_{max }}{mathrm{P}_{mathrm{m}}}].

где [mathrm{M}_{max }] — вращающий момент в максимуме действует на контур с элементарным током, помещенный в магнитное поле, где в данном случае [mathrm{P}_{mathrm{m}}=mathrm{I} cdot mathrm{S}] — магнитный момент контура (S — площадь определенного контура).

Модуль вектора индукции магнитного поля: производные формулы

Есть еще формулы для определения модуля магнитной индукции. Она определяется как отношение силы в максимуме [mathrm{F}_{max }], которое реагирует на проводник длины (при этом L= 1 м) к силе элементарного тока [text { I }] в проводнике:

[B=frac{F_{max }}{I cdot L}]

В вакууме модуль индукции будет равен:

[mathrm{B}=mu 0 cdot mathrm{H}]

Чтобы найти вектор индукции через силу Лоренца, следует преобразовать формулу: [overrightarrow{mathrm{F}}=mathrm{q} cdot[overrightarrow{mathrm{V}} times overrightarrow{mathrm{B}}]] (Крестом обозначается произведение векторов)

[vec{F}=B cdot q cdot v cdot sin alpha]

[B=frac{F}{sin alpha cdot q v}]

В данном случае угол α — это угол между вектором индукции и скорости. Стоит отметить, что направление силы Лоренца [overrightarrow{mathrm{F}}] перпендикулярно [perp] каждому вектору, направлено по правилу Буравчика. Под символом q подразумевается заряд в магнитном поле.

Интересно

В СИ единицей модуля магнитной индукции принимается 1 Тесла (кратко — Тл), где [1 Tл=frac{H}{Aм}]

Как определяется направление вектора индукции магнитного поля?

За направление вектора индукции магнитного поля [overrightarrow{mathrm{B}}] используют направление, в котором устанавливается под воздействием поля утвердительного нормали к току с контору. Другими словами объясняют так: вектор идет в направление поступательного перемещения правого винта при вращении по направлению передвижения тока внутри контура.

Вектор индукции [overrightarrow{mathrm{B}}] обладает направлением, которое начинается со стрелки южного полюса [text { S }] (она свободна передвигается в поле) к полюсу северному [text { N }].

Магнитное поле возникает из-за электрических зарядов (элементарными токами), движущиеся в нем.

Для того чтобы определить направление вектора магнитной индукции в проводнике с элементарным током, используют правило правой руки (Буравчика). Они формулируются так:

Для катушки с током: 4 согнутых пальца руки, которые обхватывают катушку, направляют по течению току. В это время оставленный большой палец на [90^{circ}] указывает на направление магнитной индукции [overrightarrow{mathrm{B}}] в середине катушки.

Для прямого проводника с элементарным током: большой палец руки, который оставляется на [90^{circ}], направить по течению элементарного тока. В это время 4 согнутых пальца, которые держат проводник, показывают сторону, куда направлена индукция магнитного поля.

Задания по теме

Разберем примеры, в которых будет задействована данная формула и свойства.

Пример 1

Условие задачи:

Проводник представлен в квадратной форме. Каждая из сторон равна d. В данный момент по нему проходит элементарный ток силы I. Найдите индукцию магнитного поля в месте, где диагонали квадрата пересекаются.

Решение задачи следующее:

Сделаем рисунок, в котором плоскость совпадает с плоскостью проводника. Изобразим направление вектора индукции магнитного поля.

В данной точке О получаются проводники с элементарным током, которые расположены прямолинейно и вектор магнитной индукции поля перпендикулярен плоскости. Направления напряжености полей определяется в соответствием с правилом правого винта,то есть перпендикулярны плоскости изображения. Поэтому сумму векторов по принципу суперпозиции надо заменить на алгебраический вид. Получим следующее выражение: B=B₁+B₂+B₃+B₄

Из симметричности рисунка можно увидеть, что модули вектора индукции магнитного поля одинаковы. Получаем следующее: B=4B₁

В разделе физике «Электромагнетизм» использовали одну из формул, чтобы рассчитать модуль индукции прямолинейного проводника с элементарным током.

Чтобы формула подошла к данной задачи, ее применяют в следующем виде:

[mathrm{B}_{1}=frac{mathrm{I} cdot mu_{0}}{4 mathrm{pi b}}(cos alpha-cos beta)]

углы α и β, которые отмечены на рисунке:

[beta=pi-alpha rightarrow cos beta=cos (pi-alpha)=-cos alpha]

Используем формулу [B_{1}=frac{I cdot mu_{0}}{4 pi b}(cos alpha-cos beta)] и преобразуем с применением тригонометрического свойства:

[mathrm{B}_{1}=frac{mathrm{I} cdot mu_{0}}{2 mathrm{pi b}} cdot cos alpha]

Поскольку у нас квадратная форма, то следует заметить следующее:

[mathrm{b}=mathrm{d} 2, alpha=frac{pi}{4} rightarrow cos alpha=frac{sqrt{2}}{2}]

Возьмем выведенные формулы и получим конечное выражение, то есть:

[mathrm{B}=4 cdot frac{mathrm{I} cdot mu_{0}}{pi mathrm{d}} cdot frac{sqrt{2}}{2}=frac{2 sqrt{2}}{pi mathrm{d}} cdot mathrm{I} cdot mu_{0}]

Ответ: [mathrm{B}=frac{2 sqrt{2}}{pi mathrm{d}} cdot mathrm{I} cdot mu_{0}]

Нет времени решать самому?

Наши эксперты помогут!

Пример 2

Условие задачи:

Бесконечно проводник с элементарным током (I) согнут под 90 градусов, который изображен на рисунке. Найдите вектор магнитной индукции однородного поля в точке А.

Решение задачи:

В точке А получается из двух частей проводника, то есть:

[overrightarrow{mathrm{B}}=mathrm{B}_{mathrm{II}}+mathrm{B}_{perp}]

Теперь посмотрим горизонтальный участок, где расположена точка А. Данная область проводника с элементарным током формирует поле в этой точке. Вектор индукции магнитного поля [mathrm{B}_{mathrm{II}}] равен нулю, потому что в А все углы между с радиус-векторами и с элементарным током равны π.

Следовательно, произведение векторов [[mathrm{d} vec{ l } vec{r}]] и поток вектора индукции магнитного поля в законе Био-Савара-Лапласа будет равен нулю:

[overrightarrow{mathrm{B}}=frac{mu_{0}}{4 pi} oint frac{mathrm{I}[mathrm{d} vec{l} vec{r}]}{mathrm{r}^{3}}]

В этом случае [vec{r}] — радиус-вектор, который идет от элемента [mathrm{Idvec{l}}] к точке А, в которой находится индукция магнитного поля [overrightarrow{mathrm{B}}].

Индукция бесконечного проводника в точке А была бы равна:

[mathrm{B}^{prime}=frac{mu_{0}}{2 pi} frac{mathrm{I}}{mathrm{b}}]

Но так как полу бесконечный проводник, то следуя из принципа суперпозиции, получается следующее выражение для проводника магнитной индукций равна:

[mathrm{B}=mathrm{B}_{perp}=frac{1}{2} mathrm{~B}^{prime}=frac{mu_{0}}{Pi} frac{mathrm{I}}{mathrm{b}}]

Ответ: [mathrm{B}=frac{mu_{0}}{pi} frac{mathrm{I}}{mathrm{b}}]

Источник

Модуль вектора магнитной индукции

4.1

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 159.

4.1

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 159.

Магнитное поле возникает вокруг проводников с током и проявляется в силовом взаимодействии с другими проводниками с током. Рассмотрим вопрос о величине этой силы, выведем формулу модуля вектора магнитной индукции.

Магнитная индукция

Из курса физики в 11 классе известно, что проявление магнитного поля состоит в возникновении силы, действующей на проводник с током в этом магнитном поле.

Рис. 1. Проводник с током в магнитном поле.

Таким образом, для характеристики интенсивности магнитного поля целесообразно ввести специальную силовую характеристику — магнитную индукцию.

Как правило, силовая характеристика поля показывает силу, с которой это поле действует на единичный пробный заряд в этом поле. Сила — величина векторная, значит, и магнитная индукция также будет векторной.

Направление вектора магнитной индукции определяется по правилу буравчика или по правилу обхвата правой руки (это эквивалентные правила, но правило правой руки нагляднее и удобнее):

Рис. 2. Правило правой руки.

При определении модуля вектора магнитной индукции существует две проблемы.

Магнитных зарядов не обнаружено (хотя теория не запрещает их существование). Однако, согласно закону Ампера, магнитное поле действует на проводник с током. Следовательно, в качестве пробного заряда в магнитном поле необходимо брать такой проводник.
Направление возникающей силы не совпадает с направлением тока. Поэтому необходимо использовать рамку с током, в которой существуют токи, направленные в противоположные стороны, и за основу силовой характеристики брать не силу, а момент сил, действующих на эту рамку.

Учитывая эти особенности магнитного поля, можно найти модуль вектора магнитной индукции.

Величина модуля вектора магнитной индукции

Экспериментируя с поведением рамки с током в магнитном поле, можно обнаружить, что момент сил, действующих на нее, существенно зависит от следующих факторов:

от величины магнитного поля;
от площади рамки;
от тока, проходящего по рамке;
от магнитных свойств вещества самой рамки и среды вокруг нее;
от ориентации рамки в магнитном поле.

Таким образом, формула модуля вектора магнитной индукции должна учитывать все эти факторы. Фактор ориентации рамки удобно исключить из выражения, условившись рассматривать только такую ориентацию, при которой момент сил, действующих на рамку, будет максимальным. Для исключения магнитного влияния в веществе рамки и вокруг нее, будем рассматривать только рамку в вакууме.

В результате в левой части формулы будет стоять искомый модуль, а в правой — выражение, включающее момент сил, действующих на рамку, площадь рамки и силу тока в ней.

Очевидно, что вектор магнитной индукции прямо пропорционален моменту сил, действующих на рамку.

С площадью рамки и током в ней ситуация обратная. Если увеличивать эти величины, то при неизменном магнитном поле момент сил будет пропорционально увеличиваться. А значит, индукция магнитного поля обратно пропорциональна как площади рамки, так и току, проходящему по ней.

Окончательно имеем формулу модуля вектора магнитной индукции:

$$B = k {M_{max} over IS}$$

где:

$В$ — модуль вектора магнитной индукции;
$M_{max}$ — максимальный момент, действующий на рамку с током;
$I$ — ток в рамке с током;
$S$ — площадь рамки с током;
$k$ — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц измерения.

Рис. 3. Магнитная индукция.

Что мы узнали?

В качестве силовой характеристики магнитного поля используется вектор магнитной индукции. Его направление определяется правилом буравчика или правилом правой руки, а модуль пропорционален максимальному моменту сил, действующих на рамку с током в этом поле, и обратно пропорционален площади этой рамки и току в ней.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

Пока никого нет. Будьте первым!

Оценка доклада

4.1

Средняя оценка: 4.1

Всего получено оценок: 159.

А какая ваша оценка?

Источник

Магнитное поле и его характеристики

теория по физике 🧲 магнетизм

Магнитное поле — особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрическими частицами.

Основные свойства магнитного поля

Магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами).
Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток (движущиеся заряды).
Магнитное поле существует независимо от нас, от наших знаний о нем.

Вектор магнитной индукции

Вектор магнитной индукции — силовая характеристика магнитного поля. Она определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд, движущийся в поле с определенной скоростью. Обозначается как → B . Единица измерения — Тесла (Тл).

За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, котором на участок проводника длиной 1 м при силе тока в нем 1 А действует со стороны поля максимальная сила, равна 1 Н. 1 Н/(А∙м) = 1 Тл.

Модуль вектора магнитной индукции — физическая величина, равная отношению максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на отрезок проводника с током, к произведению силы тока и длины проводника:

B = F A m a x I l . .

За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.

Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор магнитной индукции в данной точке поля.

Особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Поэтому магнитное поле — вихревое поле.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобным электрическим, в природе нет.

Напряженность магнитного поля

Вектор напряженности магнитного поля — характеристика магнитного поля, определяющая густоту силовых линий (линий магнитной индукции). Обозначается как → H . Единица измерения — А/м.

μ — магнитная проницаемость среды (у воздуха она равна 1), μ 0 — магнитная постоянная, равная 4 π · 10 − 7 Гн/м.

Внимание! Направление напряженности всегда совпадает с направлением вектора магнитной индукции: → H ↑↑ → B .

Направление вектора магнитной индукции и способы его определения

Чтобы определить направление вектора магнитной индукции, нужно:

Расположить в магнитном поле компас.
Дождаться, когда магнитная стрелка займет устойчивое положение.
Принять за направление вектора магнитной индукции направление стрелки компаса «север».

В пространстве между полюсами постоянного магнита вектор магнитной индукции выходит из северного полюса:

При определении направления вектора магнитной индукции с помощью витка с током следует применять правило буравчика:

При вкручивании острия буравчика вдоль направления тока рукоятка будет вращаться по направлению вектора → B магнитной индукции.

Отсюда следует, что:

Если по витку ток идет против часовой стрелки, то вектор магнитной индукции → B направлен вверх.

Если по витку ток идет по часовой стрелке, то вектор магнитной индукции → B направлен вниз.

Способы обозначения направлений векторов:

Вверх
Вниз
Влево
Вправо
На нас перпендикулярно плоскости чертежа
От нас перпендикулярно плоскости чертежа

Пример №1. На рисунке изображен проводник, по которому течет электрический ток. Направление тока указано стрелкой. Как направлен (вверх, вниз, влево, вправо, от наблюдателя, к наблюдателю) вектор магнитной индукции в точке С?

Если мысленно начать вкручивать острие буравчика по направлению тока, то окажется, что вектор магнитной индукции в точке С будет направлен к нам — к наблюдателю.

Магнитное поле прямолинейного тока

Линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. Центр окружностей совпадает с осью проводника.

Если ток идет вверх, то силовые линии направлены против часовой стрелки. Если вниз, то они направлены по часовой стрелке. Их направление можно определить с помощью правила буравчика или правила правой руки:

Правило буравчика (правой руки)

Если большой палец правой руки, отклоненный на 90 градусов, направить в сторону тока в проводнике, то остальные 4 пальца покажут направление линий магнитной индукции.

Модуль вектора магнитной индукции на расстоянии r от оси проводника:

B = μ μ 0 I 2 π r . .

Магнитное поле кругового тока

Силовые линии представляют собой окружности, опоясывающие круговой ток. Вектор магнитной индукции в центре витка направлен вверх, если ток идет против часовой стрелки, и вниз, если по часовой стрелке.

Определить направление силовых линий магнитного поля витка с током можно также с помощью правила правой руки:

Если расположить четыре пальца правой руки по направлению тока в витке, то отклоненный на 90 градусов большой палец, покажет направление вектора магнитной индукции.

Модуль вектора магнитной индукции в центре витка, радиус которого равен R:

Модуль напряженности в центре витка:

Пример №2. На рисунке изображен проволочный виток, по которому течет электрический ток в направлении, указанном стрелкой. Виток расположен в вертикальной плоскости. Точка А находится на горизонтальной прямой, проходящей через центр витка. Как направлен (вверх, вниз, влево, вправо) вектор магнитной индукции магнитного поля в точке А?

Если мысленно обхватить виток так, чтобы четыре пальца правой руки были бы направлены в сторону тока, то отклоненный на 90 градусов большой палец правой руки показал бы, что вектор магнитной индукции в точке А направлен вправо.

Магнитное поле электромагнита (соленоида)

Соленоид — это катушка цилиндрической формы, витки которой намотаны вплотную, а длина значительно больше диаметра.

Число витков в соленоиде N определяется формулой:

l — длина соленоида, d — диаметр проволоки.

Линии магнитной индукции являются замкнутыми, причем внутри соленоида они располагаются параллельно друг другу. Поле внутри соленоида однородно.

Если ток по виткам соленоида идет против часовой стрелки, то вектор магнитной индукции → B внутри соленоида направлен вверх, если по часовой стрелке, то вниз. Для определения направления линий магнитной индукции можно воспользоваться правилом правой руки для витка с током.

Модуль вектора магнитной индукции в центральной области соленоида:

B = μ μ 0 I N l . . = μ μ 0 I d . .

Модуль напряженности магнитного поля в центральной части соленоида:

H = I N l . . = I d . .

Алгоритм определения полярности электромагнита

Определить полярность источника.
Указать на витках электромагнита условное направление тока (от «+» источника к «–»).
Определить направление вектора магнитной индукции.
Определить полюса электромагнита. Там, откуда выходят линии магнитной индукции, располагается северный полюс электромагнита (N, или «–». С противоположной стороны — южный (S, или «+»).

Пример №3. Через соленоид пропускают ток. Определите полюсы катушки.

Ток условно течет от положительного полюса источника тока к отрицательному. Следовательно, ток течет по виткам от точки А к точке В. Мысленно обхватив соленоид пальцами правой руки так, чтобы четыре пальца совпадали с направлением тока в витках соленоида, отставим большой палец на угол 90 градусов. Он покажет направление линий магнитной индукции внутри соленоида. Проделав это, увидим, что линии магнитной индукции направлены вправо. Следовательно, они выходят из В, который будет являться северным полюсом. Тогда А будет являться южным полюсом.

На рисунке изображён круглый проволочный виток, по которому течёт электрический ток. Виток расположен в вертикальной плоскости. В центре витка вектор индукции магнитного поля тока направлен

а) вертикально вверх в плоскости витка

б) вертикально вниз в плоскости витка

в) вправо перпендикулярно плоскости витка

г) влево перпендикулярно плоскости витка

Алгоритм решения

Решение

По условию задачи мы имеем дело с круглым проволочным витком. Поэтому для определения вектора → B магнитной индукции мы будем использовать правило правой руки.

Чтобы применить это правило, нам нужно знать направление течение тока в проводнике. Условно ток течет от положительного полюса источника к отрицательному. Следовательно, на рисунке ток течет по витку в направлении хода часовой стрелки.

Теперь можем применить правило правой руки. Для этого мысленно направим четыре пальца правой руки в направлении тока в проволочном витке. Теперь отставим на 90 градусов большой палец. Он показывает относительно рисунка влево. Это и есть направление вектора магнитной индукции.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Магнитная стрелка компаса зафиксирована на оси (северный полюс затемнён, см. рисунок). К компасу поднесли сильный постоянный полосовой магнит и освободили стрелку. В каком положении установится стрелка?

а) повернётся на 180°

б) повернётся на 90° по часовой стрелке

в) повернётся на 90° против часовой стрелки

г) останется в прежнем положении

Алгоритм решения

Вспомнить, как взаимодействуют магниты.
Определить исходное положение полюсов.
Определить конечное положение полюсов и установить, как изменится положение магнитной стрелки.

Решение

Одноименные полюсы магнитов отталкиваются, а разноименные притягиваются. Изначально южный полюс магнитной стрелки находится справа, а северный — слева. Полосовой магнит подносят к ее южному полюсу северной стороной. Поскольку это разноименные полюса, положение магнитной стрелки не изменится.

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Непосредственно над неподвижно закреплённой проволочной катушкой вдоль её оси на пружине подвешен полосовой магнит (см. рисунок). Куда начнёт двигаться магнит сразу после замыкания ключа? Ответ поясните, указав, какие физические явления и законы Вы использовали для объяснения.

Алгоритм решения

Определить направление тока в соленоиде.
Определить полюса соленоида.
Установить, как будет взаимодействовать соленоид с магнитом.
Установить, как будет себя вести магнит после замыкания электрической цепи.

Решение

Чтобы определить направление тока в соленоиде, посмотрим на расположение полюсов источника тока. Ток условно направлен от положительного полюса к отрицательному. Следовательно, относительно рисунка ток в витках соленоида направлен по часовой стрелке.

Зная направление тока в соленоиде, можно определить его полюса. Северным будет тот полюс, из которого выходят линии магнитной индукции. Определить их направление поможет правило правой руки для соленоида. Мысленно обхватим соленоид так, чтобы направление четырех пальцев правой руки совпадало с направлением тока в витках соленоида. Теперь отставленный на 90 градусов большой палец покажет направление вектора магнитной индукции. Проделав все манипуляции, получим, что вектор магнитной индукции направлен вниз. Следовательно, внизу соленоида расположен северный полюс, а вверху — южный.

Известно, что одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Подвешенный полосовой магнит обращен к южному полюсу соленоида северным полюсом. А это значит, что при замыкании электрической цепи он будет растягивать пружину, притягиваясь к соленоиду (двигаться вниз).

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить

Вектор магнитной индукции: формула

Один из параметров магнитного поля – его силовая характеристика. Она обозначает, с какой силой поле влияет на движущиеся в нём заряженные частицы. Это значение из разряда векторных величин, носит название магнитная индукция B→.

Физический смысл магнитной индукции (МИ)

Возможность действовать на предмет магнитным полем (МП) определяет сущность настоящей индукции. Она появляется в момент перемещения в катушке индуктивности магнита постоянной природы. Результатом такого движения является появление тока, с одновременным увеличением магнитного потока. Поскольку обмотка у катушки металлическая, а структура металла – кристаллическая решётка, то можно объяснить физические свойства этого явления.

Электроны, находящиеся в этой решётке, при отсутствии магнитного воздействия находятся в покое. Движения никакого нет. Оно начинается в тот момент, когда электроны попадают под воздействие переменного МП (поле изменяется при перемещении постоянного магнита).

Значение возникающего в катушке тока зависит от диаметра жилы и количества витков, физических характеристик магнита и скорости его движения.

Единица размерности в системе Си рассматриваемой характеристики – тесла. Она обозначается буквами Тл.

Важно! Электроны в решётке, после попадания катушки в МП, разворачиваются под некоторым углом и выстраиваются вдоль силовых линий МП. Количество ориентированных частиц и однородность их размещения зависимы от величины поля.

Вектор – это вектор индукции магнитного поля (градиентный параметр МП).

Направление вектора МИ

Направление магнитных полей может указать стрелка магнита, помещаемая в эти поля. Она будет крутиться до тех пор, пока не остановится. Северный конец стрелки покажет, куда ориентирован B→ орт того или иного поля.

Таким же образом ведёт себя рамка с током, имеющая возможность без помех ориентироваться в МП. Направленность вектора индукции указывает ориентацию нормали к такому замкнутому электромагнитному контуру.

Внимание! Здесь используют правило буравчика (правого винта). Если винт вращать так, как направлен ток в рамке, то поступательное продвижение винта совпадёт с направлением положительной нормали.

В некоторых случаях, чтобы найти направление, применяют правило правой руки.

Наглядное отображение линий МИ

Линию, к которой можно провести касательную, совпадающую с B→, называют линией магнитной индукции (МИ). С помощью таких линий можно визуально отобразить магнитное поле. Это сомкнутые контурные чёрточки, которые охватывают токи. Их густота всегда пропорциональна величине B→ в конкретной точке МП.

Информация. Когда имеют дело с МП прямого движения заряженных частиц, то эти линии изображаются в виде концентрических окружностей. Они имеют свой центр, расположенный на прямой линии с током, и находятся в плоскостях, расположенных под прямым углом к нему.

С направлением магнитных линий также можно определиться, пользуясь правилом буравчика.

Модуль вектора магнитной индукции

Чтобы определить величину вектора МИ, нужно узнать его модуль. Как определяется модуль вектора магнитной индукции (градиент)? Это можно понять на примере небольшой модели. Если поместить в поле подковообразного магнита горизонтально подвешенный проводник, то МП магнита будет действовать только на участок, расположенный в междуполюсном промежутке. Сила F→, действующая на этот участок, будет направлена под прямым углом к линиям индукции и самому проводнику. Она достигает своего максимума, когда орт МИ располагается перпендикулярно проводнику.

Значение модуля B→ будет равно отношению максимального значения этой силы F→ к произведению длины отрезка ∆L на силу движения зарядов (I), а именно:

Основные формулы для вычисления вектора МИ

Вектор магнитной индукции, формула которого B = Fm/I*∆L, можно находить, применяя другие математические вычисления.

Закон Био-Савара-Лапласа

Описывает правила нахождения B→ магнитного поля, которое создаёт постоянный электроток. Это экспериментально установленная закономерность. Био и Савар в 1820 году выявили её на практике, Лапласу удалось сформулировать. Этот закон является основополагающим в магнитостатике. При практическом опыте рассматривался неподвижный провод с малым сечением, через который пропускали электроток. Для изучения выбирался малый участок провода, который характеризовался вектором dl. Его модуль соответствовал длине рассматриваемого участка, а направление совпадало с направлением тока.

Интересно. Лаплас Пьер Симон предложил считать током даже движение одного электрона и на этом утверждении, с помощью данного закона, доказал возможность определения МП продвигающегося точечного заряда.

Согласно этому физическому правилу, каждый сегмент dl проводника, по которому протекает электрический ток I, образовывает в пространстве вокруг себя на промежутке r и под углом α магнитное поле dB:

dB = µ0 *I*dl*sin α /4*π*r2,

где:

dB – магнитная индукция, Тл;
µ0 = 4 π*10-7 – магнитная постоянная, Гн/м;
I – сила тока, А;
dl – отрезок проводника, м;
r – расстояние до точки нахождения магнитной индукции, м;
α – угол, образованный r и вектором dl.

Важно! Согласно закону Био-Савара-Лапласа, суммируя векторы магнитных полей отдельных секторов, можно определить МП нужного тока. Оно будет равно векторной сумме.

Существуют формулы, описывающие этот закон для отдельных случаев МП:

поля прямого перемещения электронов;
поля кругового движения заряженных частиц.

Формула для МП первого типа имеет вид:

Для кругового движения она выглядит так:

В этих формулах µ – это магнитная проницаемость среды (относительная).

Рассматриваемый закон вытекает из уравнений Максвелла. Максвелл вывел два уравнения для МП, случай, где электрическое поле постоянно, как раз рассматривают Био и Савар.

Принцип суперпозиции

Для МП существует принцип, согласно которому общий вектор магнитной индукции в определённой точке равен векторной сумме всех векторов МИ, созданных разными токами в данной точке:

Теорема о циркуляции

Изначально в 1826 году Андре Ампер сформулировал данную теорему. Он разобрал случай с постоянными электрическими полями, его теорема применима к магнитостатике. Теорема гласит: циркуляция МП постоянного электричества по любому контуру соразмерна сумме сил всех токов, которые пронизывают этот контур.

Стоит знать! Тридцать пять лет спустя Д. Максвелл обобщил это утверждение, проведя параллели с гидродинамикой.

Другое название теоремы – закон Ампера, описывающий циркуляцию МП.

Математически теорема записывается следующим образом.

где:

B→– вектор магнитной индукции;
j→ – плотность движения электронов.

Это интегральная форма записи теоремы. Здесь в левой части интегрируют по некоторому замкнутому контуру, в правой части – по натянутой поверхности на полученный контур.

Магнитный поток

Одна из физических величин, характеризующих уровень МП, пересекающего любую поверхность, – магнитный поток. Обозначается буквой φ и имеет единицу измерения вебер (Вб). Эта единица характерна для системы СИ. В СГС магнитный поток измеряется в максвеллах (Мкс):

Магнитный поток φ определяет величину МП, пронизывающую определённую поверхность. Поток φ зависит от угла, под которым поле пронизывает поверхность, и силы поля.

Формула для расчёта имеет вид:

где:

В – скалярная величина градиента магнитной индукции;
S – площадь пересекаемой поверхности;
α – угол, образованный потоком Ф и перпендикуляром к поверхности (нормалью).

Внимание! Поток Ф будет наибольшим, когда B→ совпадёт с нормалью по направлению (угол α = 00). Аналогично Ф = 0, когда он проходит параллельно нормали (угол α = 900).

Вектор магнитной индукции, или магнитная индукция, указывает направление поля. Применяя простые методы: правило буравчика, свободно ориентирующуюся магнитную стрелку или контур с током в магнитном поле, можно определить направление действия этого поля.

Видео

Магнитная индукция, магнитный поток: определение, формулы, смысл

Физический смысл магнитной индукции

Физически это явление объясняется следующим образом. Металл имеет кристаллическую структуру (катушка состоит из металла). В кристаллической решетке металла расположены электрические заряды — электроны. Если на металл не оказывать ни какое магнитное воздействие, то заряды (электроны) находятся в покое и никуда не движутся.

Васильев Дмитрий ПетровичПрофессор электротехники СПбГПУ Если же металл попадает под действие переменного магнитного поля (из-за перемещения постоянного магнита внутри катушки – именно перемещения), то заряды начинают двигаться под действием этого магнитного поля.

В результате чего в металле возникает электрический ток. Сила этого тока зависит от физических свойств магнита и катушки и скорости перемещения одного относительно другого.

При помещении металлической катушки в магнитное поле заряженные частицы металлический решетки (в кашутке) поворачиваются на определенный угол и размещаются вдоль силовых линий магнитного поля.

Чем выше сила магнитного поля, тем больше количество частиц поворачиваются и тем более однородным будет являться их расположение.

Магнитные поля, ориентированные в одном направлении не нейтрализуют друг друга, а складываются, формируя единое поле.

Формула магнитной индукции

где, В — вектор магнитной индукции, F — максимальная сила действующая на проводник с током, I — сила тока в проводнике, l — длина проводника.

Формула магнитной индукции:

Формула магнитной индукции: B = Mmax/IS

B — индукция магнитного поля (в Тл)
Mmax — максимальный крутящий момент магнитных сил, приложенных к рамке (в Нм)
l — длина проводника (в м)
S — площадь рамки (в м²)

Другие формулы, где встречается B

Эти формулы также можно использовать для её расчёта.

Сила Ампера:

Сила Ампера: Fa=IBL sinα

Fa — сила Ампера (в Н — ньютон)
I — сила тока (в А — ампер)
B — индукция магнитного поля (в Тл)
L — длина проводника (в м)
α — угол между вектором В и одним из направлений (силы тока, скорости или др.; измеряется в рад. или град.)

Сила Лоренца:

Сила Лоренца: Fл = qvB sinα

Fл — сила Лоренца (в Н — ньютон)
q — заряд частицы (в Кл — кулон)
v — скорость (в м/с)
B — индукция (в Тл)
α — угол между вектором В и одним из направлений (силы тока, скорости, или др.; измеряется в рад. или град.))

Магнитный поток:

Магнитный поток: Ф = BS cosα

Ф — магнитный поток (в Вб – вебер)
B — индукция (в Тл)
S — площадь рамки (в м²)
α — угол между вектором В и одним из направлений (силы тока, скорости, или др.; измеряется в рад. или град.))

Магнитный поток

Магнитный поток это скалярная величина, которая характеризует действие магнитной индукции на некий металлический контур.

Магнитная индукция определяется числом силовых линий, проходящих через 1 см2 сечения металла.

Магнитометры, используемые для ее измерения, называют теслометрами.

Абрамян Евгений ПавловичДоцент кафедры электротехники СПбГПУ Единицей измерения магнитной индукции в системе СИ является Тесла (Тл).

После прекращения движение электронов в катушке сердечник, если он выполнен из мягкого железа, теряет магнитные качества. Если он изготовлен из стали, то он имеет способность некоторое время сохранять свои магнитные свойства.

Взаимодействие магнитов

Постоянный магнит (или магнитная стрелка) ориентируется вдоль магнитного меридиана Земли. Тот его конец, который указывает на север, называется северным полюсом (N), а противоположный конец — южным полюсом (S). Приближая два магнита друг к другу, заметим, что одноименные их полюсы отталкиваются, а разноименные — притягиваются (рис. 1).

Если разделить полюса, разрезав постоянный магнит на две части, то мы обнаружим, что каждая из них тоже будет иметь два полюса, т. е. будет постоянным магнитом (рис. 2). Оба полюса — северный и южный, — неотделимые друг от друга, равноправны.

Магнитное поле, создаваемое Землей или постоянными магнитами, изображается, подобно электрическому полю, магнитными силовыми линиями. Картину силовых линий магнитного поля какого-либо магнита можно получить, помещая над ним лист бумаги, на котором насыпаны равномерным слоем железные опилки. Попадая в магнитное поле, опилки намагничиваются — у каждой из них появляется северный и южный полюсы. Противоположные полюсы стремятся сблизиться друг с другом, но этому мешает трение опилок о бумагу. Если постучать по бумаге пальцем, трение уменьшится и опилки притянутся друг к другу, образуя цепочки, изображающие линии магнитного поля.

На рис. 3 показано расположение в поле прямого магнита опилок и маленьких магнитных стрелок, указывающих направление линий магнитного поля. За это направление принято направление северного полюса магнитной стрелки.

Направление вектора МИ

Линии магнитной индукции

Внимание! Здесь используют правило буравчика (правого винта). Если винт вращать так, как направлен ток в рамке, то поступательное продвижение винта совпадёт с направлением положительной нормали.

В некоторых случаях, чтобы найти направление, применяют правило правой руки.

Наглядное отображение линий МИ

Информация. Когда имеют дело с МП прямого движения заряженных частиц, то эти линии изображаются в виде концентрических окружностей. Они имеют свой центр, расположенный на прямой линии с током, и находятся в плоскостях, расположенных под прямым углом к нему.

С направлением магнитных линий также можно определиться, пользуясь правилом буравчика.

Основные формулы для вычисления вектора МИ

Закон электромагнитной индукции

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея) звучит так:

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

Математически его можно описать формулой:

Ɛi — ЭДС индукции [В]

ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с]

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре всегда направлен так, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

Если контур состоит из N витков (то есть он — катушка), то ЭДС индукции будет вычисляться следующим образом.

Закон Фарадея для контура из N витков

Ɛi — ЭДС индукции [В]

ΔФ/Δt — скорость изменения магнитного потока [Вб/с]

N — количество витков [-]

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением R:

Закон Ома для проводящего контура

Ɛi — ЭДС индукции [В]

I — сила индукционного тока [А]

R — сопротивление контура [Ом]

Если проводник длиной l будет двигаться со скоростью v в постоянном однородном магнитном поле с индукцией B ЭДС электромагнитной индукции равна:

ЭДС индукции для движущегося проводника

Ɛi — ЭДС индукции [В]

B — магнитная индукция [Тл]

v — скорость проводника [м/с]

l — длина проводника [м]

Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:

вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле
вследствие изменения во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея

Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:

в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца
в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

Закон Био-Савара-Лапласа

Формула ЭДС индукции

Интересно. Лаплас Пьер Симон предложил считать током даже движение одного электрона и на этом утверждении, с помощью данного закона, доказал возможность определения МП продвигающегося точечного заряда.

Согласно этому физическому правилу, каждый сегмент dl проводника, по которому протекает электрический ток I, образовывает в пространстве вокруг себя на промежутке r и под углом α магнитное поле dB:

dB = µ0 *I*dl*sin α /4*π*r2,

dB – магнитная индукция, Тл;
µ0 = 4 π*10-7 – магнитная постоянная, Гн/м;
I – сила тока, А;
dl – отрезок проводника, м;
r – расстояние до точки нахождения магнитной индукции, м;
α – угол, образованный r и вектором dl.

Важно! Согласно закону Био-Савара-Лапласа, суммируя векторы магнитных полей отдельных секторов, можно определить МП нужного тока. Оно будет равно векторной сумме.

Существуют формулы, описывающие этот закон для отдельных случаев МП:

поля прямого перемещения электронов;
поля кругового движения заряженных частиц.

Формула для МП первого типа имеет вид:

Для кругового движения она выглядит так:

В этих формулах µ – это магнитная проницаемость среды (относительная).

Принцип суперпозиции

Правило Ленца

Чтобы определить направление индукционного тока, нужно воспользоваться правилом Ленца.

Академически это правило звучит следующим образом: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

Давайте попробуем чуть проще: катушка в данном случае — это недовольная бабуля. Забирают у нее магнитный поток — она недовольна и создает магнитное поле, которое этот магнитный поток хочет обратно отобрать.

Дают ей магнитный поток, забирай, мол, пользуйся, а она такая — «Да зачем сдался мне ваш магнитный поток!» и создает магнитное поле, которое этот магнитный поток выгоняет.

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция — явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

Майкл Фарадей провел ряд опытов, которые помогли открыть явление электромагнитной индукции.

Опыт раз. На одну непроводящую основу намотали две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй — подключены к источнику тока.

При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.

Опыт два. Первую катушку подключили к источнику тока, а вторую — к гальванометру. При этом вторая катушка перемещалась относительно первой. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.

Опыт три. Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется вдвигается (выдвигается) относительно катушки

Вот, что показали эти опыты:

Индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции.

Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.

Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Почему возникает индукционный ток?

Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС.

Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

источники:

http://amperof.ru/teoriya/vektor-magnitnoj-indukcii-formula.html

Магнитная индукция, магнитный поток: определение, формулы, смысл

Источник

Формула вектора магнитной индукции

Направление вектора магнитной индукции

Направлением вектора магнитной индукции считают направление, которое показывает северный полюс магнитной стрелки, которая может свободно устанавливаться в магнитном поле. Аналогичное направление имеет положительная нормаль к замкнутому контуру, по которому течет ток. Положительная нормаль имеет направление, совпадающее с направлением перемещения правого винта (буравчика), если его вращают по направлению тока в контуре. При использовании рамки с током или магнитной стрелки можно определить направление вектора в любой точке магнитного поля.

Если магнитное поле создает прямой проводник с током, то магнитная стрелка в любой точке этого поля устанавливается по касательной к окружности, плоскость которой перпендикулярна проводнику, центр находится на оси провода. Направление вектора определяют при помощи правила правого винта (правила буравчика), которое говорит о том, что если поступательное перемещение буравчика совпадает с направлением течения тока в проводнике, то вращение головки винта совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Величина (модуль) вектора магнитной индукции

Магнитное поле оказывать действие на каждый участок проводника с током. Используя силу, действующую на проводник с током (силу Ампера), определяют величину вектора магнитной индукции магнитного поля. Так, модуль вектора равен частному от деления максимальной силы Ампера $(F_{max})$ , с которой магнитное поле оказывает воздействие на отрезок проводника с током (I) к произведению силы тока на длину проводника :

$[B=frac{F_{max}}{IDelta l} qquad(1)]$

На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца. По величине ее воздействия на заряд также можно установить модуль вектора :

$[B=frac{F_L}{qv{sin alpha } } qquad(2)]$

где – модуль силы Лоренца; q – заряд частицы, движущейся со скоростью v в магнитном поле; – это угол между векторами и . Направления ${overline{F}}_L$ , векторов и связаны между собой правилом левой руки.

Формулой, которая определяет величину вектора магнитной индукции в конкретной точке магнитного поля можно считать следующее выражение:

$[B=frac{M_{max}}{p_m} qquad(3)]$

где $M_{max}$ – максимальный вращающий момент, действующий на рамку, которая обладает магнитным моментом , равным единице, если нормаль к рамке перпендикулярна направлению поля.

Основные формулы, которые служат для вычисления вектора магнитной индукции

Закон Био-Савара-Лапласа

Данный закон предоставляет нам возможность вычислить вектор магнитной индукции () в любой точке магнитного поля, которое создается в вакууме элементарным проводником с током:

$[doverline{B}=frac{{mu }_0}{4pi }frac{I}{r^3}left[doverline{l}overline{r}right] qquad(4)]$

где I – сила тока; – вектор элементарный проводник по модулю он равен длине проводника, при этом его направление совпадает с направлением течения тока; – радиус-вектор, который проводят от элементарного проводника к точке, в которой находят поле; ${mu }_0=4pi cdot {10}^{-7}frac{Gn}{m}$ – магнитная постоянная. Вектор является перпендикулярным к плоскости, в которой расположены и , конкретное направление вектора магнитной индукции определяют при помощи правила буравчика (правого винта).

Для однородного и изотропного магнетика, заполняющего пространство, вектор магнитной индукции в вакууме( ${overline{B}}_0$ ) и в веществе (), при одинаковых условиях, связывает формула:

$[overline{B}=mu {overline{B}}_0 qquad(5)]$

где – относительная магнитная проницаемость вещества.

Принцип суперпозиции

Магнитная индукция поля (), которое является наложением нескольких полей, находится как векторная сумма магнитных индукций отдельных полей ( ${overline{B}}_i$ ):

$[overline{B}=sum^N_{i=1}{{overline{B}}_i} qquad(6)]$

Теорема о циркуляции

В однородном и изотропном веществе циркуляция вектора индукции магнитного поля по любому контуру L равна:

$[oint_L{overline{B}doverline{l}=mu {mu }_0sum^N_{k=1}{I_k}} qquad (7)]$

где $sum^N_{k=1}{I_k}$ – сумма токов проводимости с учетом их знака, которые охвачены рассматриваемым контуром; – магнитная проницаемость вещества. В том случае, если направление обхода контура связано с направлением течения тока при помощи правила правого винта, то ток считают положительным.

В случае непрерывного распределения тока по поверхности S силу тока вычисляют при помощи выражения:

$[I=int_S{overline{j}doverline{S}} qquad (8)]$

где равен по модулю площади элемента поверхности – плотность тока.

Примеры частных случаев формул для нахождения вектора магнитной индукции см. раздел «Магнитная индукция формула»

Примеры решения задач по теме «Вектор магнитной индукции»

Источник

Тема
3.3. Магнитное поле в вакууме. Магнитное
поле–
это особая форма материи.Магнитное поле
– порождается любыми движущимися
зарядами: электрический ток в металле,
в электролите, в газе, пучок электронов,
протонов и т.п.Индукция
магнитного поля-это
силовая характеристика магнитного
поля.
Вектор магнитной индукции направлен
всегда так, как сориентирована свободно
вращающаяся магнитная стрелка в магнитном
поле.Единица измерения магнитной
индукции в системе СИ:

Сила
Лоренца—
сила,
с которой, в рамках классической
(не-квантовой) физики, электромагнитное
поле действует на заряженную частицу
(точечную, в общем случае — движущуюся).Выражение
для силы Ампера можно записать в виде:

F = q n S Δl υB sin α.

Так
как полное число N носителей
свободного заряда в проводнике длиной
Δl и
сечением S равно n S Δl,
то сила, действующая на одну заряженную
частицу, равна

F_Л = q υ B sin α.

Движение
заряженных частиц в магнитном поле.

Формула
силы Лоренца дает возможность найти
ряд закономерностей движения заряженных
частиц в магнитном поле. Зная направление
силы Лоренца и направление вызываемого
ею отклонения заряженной частицы в
магнитном поле можно найти знак заряда
частиц, которые движутся в магнитных
полях. Для вывода общих закономерностей
будем полагать, что магнитное поле
однородно и на частицы не действуют
электрические поля. Если заряженная
частица в магнитном поле движется со
скоростью v вдоль
линий магнитной индукции, то угол α
между векторами v и Вравен
0 или π. Тогда сила Лоренца равна нулю,
т. е. магнитное поле на частицу не
действует и она движется равномерно и
прямолинейно. В случае, если заряженная
частица движется в магнитном поле со
скоростью v,
которая перпендикулярна вектору В,
то сила ЛоренцаF=Q[vB]
постоянна по модулю и перпендикулярна
к траектории частицы. По второму закону
Ньютона, сила Лоренца создает
центростремительное ускорение. Значит,
что частица будет двигаться по окружности,
радиус r которой находится из условия
QvB=mv²/r
, следовательно

Период
вращения частицы,
т. е. время Т, за которое она совершает
один полный оборот,

т.
е. период вращения частицы в однородном
магнитном поле задается только величиной,
которая обратна удельному заряду (Q/m)
частицы, и магнитной индукцией поля, но
при этом не зависит от ее скорости (при
v<<c). На этом соображении основано
действие циклических ускорителей
заряженных частиц. В случае, если
скорость v заряженной
частицы направлена под углом α к
вектору В (рис.
170), то ее движение можно задать в виде
суперпозиции: 1) прямолинейного
равномерного движения вдоль поля со
скоростью v_parall=vcosα
; 2) равномерного движения со скоростью
v_perpend=vsinα
по окружности в плоскости, которая
перпендикулярна полю. Радиус окружности
задается формулой (1) (в этом случае надо
вместо v подставить
v_perpend=vsinα).
В результате сложения двух данных
движений возникает движение по спирали,
ось которой параллельна магнитному
полю (рис. 1). Шаг винтовой (спиральной)
линии

Направление,
в котором закручивается спираль,
определяется знаком заряда частицы.

Если
скорость v заряженной
частицы составляет угол α с направлением
вектора В неоднородного
магнитного поля,
у которого индукция возрастает в
направлении движения частицы, то r и h
уменьшаются с увеличением В.
На этом основана фокусировка заряженных
частиц в магнитном поле.

Магнитное поле движущегося заряда.

Любой
проводник с током создает в окружающем
пространстве магнитное поле. При
этом электрический же ток является
упорядоченным движением электрических
зарядов. Значит можно считать, что
любой движущийся в вакууме или среде
заряд попрождает вокруг себя магнитное
поле. В результате обобщения
многочисленных опытных данных был
установлен закон, который определяет
поле В точечного
заряда Q, движущегося с постоянной
нерелятивистской скоростью v.
Этот закон задается формулой

где r —
радиус-вектор, который проведен от
заряда Q к точке наблюдения М (рис.
1). Согласно (1), вектор В направлен
перпендикулярно плоскости, в которой
находятся векторы v и r :
его направление совпадает с
направлением поступательного
движения правого винта при его
вращении от v к r.

Рис.1

Модуль
вектора магнитной индукции (1)
находится по формуле

где
α — угол между векторами v и r.

Сопоставляя
закон Био-Савара-Лапласа и (1), мы
видим, что движущийся заряд по своим
магнитным свойствам эквивалентен
элементу тока:

Приведенные
законы (1) и (2) выполняются лишь при
малых скоростях (v<<с) движущихся
зарядов, когда электрическое поле
движущегося с постоянной скорость
заряда можно считать электростатическим,
т. е. создаваемым неподвижным зарядом,
который находится в той точке, где
в данный момент времени находится
движущийся заряд. Формула (1) задает
магнитную индукцию положительного
заряда, движущегося со скоростью v.
При движении отрицательнго заряда
Q заменяется на -Q. Скорость v —
относительная скорость, т. е. скорость
относительно системы отсчета
наблюдателя. Вектор В в
данной системе отсчета зависит как
от времени, так и от расположения
наблюдателя. Поэтому следует отметить
относительный характер магнитного
поля движущегося заряда.Первый, кто
обнаружил поле движущегося заряда,
был американский физик Г. Роуланду
(1848—1901). Окончательно этот факт был
установлен профессором Московского
университета А. А. Эйхенвальдом
(1863—1944), который изучал магнитное
поле конвекционного тока и магнитное
поле связанных зарядов поляризованного
диэлектрика. Магнитное поле движущихся
с постоянной скоростьб зарядов было
измерено академиком А. Ф. Иоффе,
который также доказал эквивалентность,
в смысле возбуждения магнитного
поля, электронного пучка и тока
проводимости.

Принцип
суперпозиции:магнитное
поле, создаваемое совокупностью
движущихся зарядов, равно векторной

сумме
полей, создаваемых отдельными зарядами

,
где

— магнитная индукция результирующего
поля,

— магнитная индукция полей, создаваемых
отдельными зарядами.

Закон
Био-Савара-Лапласа
для проводника с током I, элемент
dl которого
создает в некоторой точке А (рис. 1)
индукцию поля dB,
равен

где
dl —
вектор, по модулю равный длине dl элемента
проводника и совпадающий по направлению
с током, r —
радиус-вектор, который проведен из
элемента dl проводника
в точку А поля, r — модуль радиуса-вектора r.
Направление dB перпендикулярно
dl и r,
т. е. перпендикулярно плоскости, в которой
они лежат, и совпадает с направлением
касательной к линии магнитной индукции.
Это направление может быть найдено по
правилу правого винта: направление
вращения головки винта дает направление
dB,
если поступательное движение винта
совпадает с направлением тока в
элементе.

Модуль
вектора dB задается
выражением

где
α — угол между векторами dl и r.

Магнитное
поле прямолинейного проводника с током.
Для
получения спектра магнитного поля
прямого проводника с током проводник
пропускают сквозь лист картона. На
картон насыпают тонкий слой железных
опилок, и опилки слегка встряхивают.
Под действием магнитного поля железные
опилки располагаются по концентрическим
окружностям. По касательным к ним
расположатся и магнитные стрелки вокруг
такого проводника с током.Таким образом,
линии магнитной индукции магнитного
поля прямолинейного
тока представляют
собой концентрические
окружности,
расположенные в плоскости, перпендикулярной
к проводнику, с центром на оси проводника.
Направление линий индукции
определяется правилом
правого винта: если
поворачивать головку винта так, чтобы
поступательное движение острия винта
происходило вдоль тока в проводнике,
то направление вращения головки указывает
направление линий магнитной индукции поля
прямого проводника с током.Магнитное
поле кругового тока.Определим
магнитную индукцию на оси проводника
с током на расстоянии х от
плоскости кругового тока.
Векторы
  перпендикулярны
плоскостям, проходящим через
соответствующие
  и
.
Следовательно, они образуют симметричный
конический веер. Из соображения симметрии
видно, что результирующий вектор
  направлен
вдоль оси кругового тока. Каждый из
векторов
  вносит
вклад равный
,
а
  взаимно
уничтожаются. Но
,
,
а т.к. угол между
  и
  α
– прямой, то
  тогда
получим

Подставив
в (1.6.1)
и,
проинтегрировав по всему контуру
,
получим выражение для нахождения магнитной
индукции кругового тока:

(1.6.2)

При
,
получим магнитную
индукцию в центре кругового тока:

(1.6.3)

Заметим,
что в числителе (1.6.2)
–
магнитный момент контура. Тогда, на
большом расстоянии от контура, при
,
магнитную индукцию можно рассчитать
по формуле:

Теорема
о циркуляции вектора напряженности
(индукции) магнитного поля.
Теорема
о циркуляции вектора В.

Поскольку
магнитное поле создается токами, а
ненулевая циркуляция означает, что
косинус угла между вектором поля и
векторами перемещений преимущественно
не меняет знак (т. е. перемещения происходят
преимущественно вдоль или против силовых
линий), то в этом случае замкнутый контур
обхода пронизывают создающие поле,
направленное вдоль (или против) направления
обхода, токи, алгебраическая сумма
которых не равна нулю. Ток считается
положительным, если его направление
связано с направлением обхода правилом
правого винта:

Циркуляция
вектора индукции магнитного поля
прямопропорциональна алгебраической
сумме пронизывающих контур токов;
коэффициентом пропорциональности
служит магнитная постоянная, умноженная
на магнитную проницаемость
среды,
которая в результате намагничивания
в
раз
изменяет результирующее поле:

Циркуляцией
вектора В по
заданному замкнутому контуру называется
интеграл
где dl —
вектор элементарной длины контура,
направленной вдоль обхода
контура, B_l=Bcos — составляющая
вектора В в
направлении касательной к контуру (с
учетом выбранного направления обхода),  —
угол между векторами В и
dl.

Поле
тороида и соленоида.
Найдем с помощью теоремы о циркуляции,
индукцию магнитного поля внутри соленоида.
Рассмотрим соленоид длиной l,
который имеет N витков, и по которому
течет ток (рис. 1). Будем считать длину
соленоида во много раз больше, чем
диаметр его витков. Экспериментальное
изучение магнитного поля соленоида
(см. главу «магнитное поле и его
характеристики») показывает, что
внутри соленоида поле однородно, вне
соленоида — неоднородно и практически
отсутствует. На
рис. 1 даны линии магнитной индукции
внутри и вне соленоида. Чем соленоид
длиннее, тем магнитная индукция вне его
меньше. Поэтому приближенно можно
полагать, что поле бесконечно длинного
соленоида сосредоточено целиком внутри
него, а поле соленоида можно не
учитывать. Для
вычисления магнитной индукции В выберем
замкнутый прямоугольный контур ABCDA, как
показано на рис. 1. Циркуляция вектора Впо
замкнутому контуру ABCDA, который охватывает
все N витков, используя формулу циркуляции
вектора В,
будет

Интеграл
по ABCDA можно разложить на четыре интеграла:
по АВ, ВС, CD и DA. На участках АВ и CD контур
и линии магнитной индукции перпендикулярны:
B_l=0.
На участке вне соленоида B=0. На участке
DA циркуляция вектора В равна В_l (контур
и линии магнитной индукции совпадают);
значит,

(1)

Из
(1) приходим к формуле магнитной индукции
поля внутри соленоида (в вакууме):
(2)

Мы
видим, что поле внутри соленоида однородно (при
расчетах пренебрегают краевыми эффектами
в областях, прилегающих к торцам
соленоида). Но отметим, что вывод этой
формулы не совсем корректен (поскольку
линии магнитной индукции замкнуты, и
интеграл по внешнему участку магнитного
поля строго нулю не равен). Корректно
найти поле внутри соленоида можно,
используя закон Био — Савара — Лапласа;
в результате получается такая же формула
(2). Важное
практическое значение имеет также
магнитное поле тороида —
кольцевой катушки, у которой витки
намотаны на сердечник, который имеет
форму тора (рис. 2). Магнитное поле, как
известно из опыта, сосредоточено внутри
тороида, а вне его поле равно нулю.

В
данном случае линии магнитной индукции,
как следует из соображений симметрии,
есть окружности, у которых центры
расположены по оси тороида. В качестве
контура возьмем одну такую окружность
радиуса r. Тогда, используя теорему о
циркуляции, B•2πr=μ₀NI,
откуда следует, что магнитная индукция
внутри тороида (в вакууме)
где
N — число витков тороида.

Если
контур проходит вне тороида, то токов
он не охватывает и B•2πr = 0. Следовательно,
что поле вне тороида отсутствует (что
показывает и опыт).
Сила
Ампера.
Сила, с которой магнитное поле действует
на помещенный в него проводник с током,
называется силой
Ампера.Величина
этой силы, действующей на элемент
Δl проводника
с током I в
магнитном поле с индукцией
,
определяется законом Ампера:

,
(1)

где α –
угол между направлениями тока и вектора
индукции.Направление силы
Ампера можно найти с помощью правила
левой руки:
если левую руку расположить так, чтобы
линии магнитной индукции входили в
ладонь, а четыре вытянутых пальца
совпадали по направлению с направлением
тока, то отогнутый на 90° большой палец
укажет направление силы, действующей
на элемент проводника.

Взаимодействие
параллельных токов.
Закон
Ампера используется при нахождении
силы взаимодействия двух токов. Рассмотрим
два бесконечных прямолинейных параллельных
тока I₁ и
I₂;
(направления токов даны на рис. 1),
расстояние между которыми R. Каждый из
проводников создает вокруг себя магнитное
поле, которое действует по закону Ампера
на соседний проводник с током. Найдем,
с какой силой действует магнитное поле
тока I₁ на
элемент dl второго
проводника с током I₂.
Магнитное поле тока I₁ есть
линии магнитной индукции, представляющие
собой концентрические окружности.
Направление вектора B₁ задается
правилом правого винта, его модуль по
формуле (5) есть

Направление
силы dF₁,
с которой поле B₁ действует
на участок dl второго
тока, находится по правилу левой руки
и указано на рисунке. Модуль силы,
используя (2), с учетом того, что угол α
между элементами тока I₂ и
вектором B₁ прямой,
будет равен
подставляя
значение для В₁,
найдем

(3)

Аналогично
рассуждая, можно показать, что сила
dF₂ с
которой магнитное поле тока I₂ действует
на элемент dl первого
проводника с током I₁,
направлена в противоположную сторону
и по модулю равна

(4)

Сопоставление
выражений (3) и (4) дает, что

т.
е. два
параллельных тока одинакового направления
притягиваются друг к другу с
силой, равной

(5)

Если токи
имеют противоположные направления,
то, используя правило левой руки,
определим, что между
ними действует сила отталкивания,
определяемая выражением (5). Магнитный
поток.
—
поток Ф вектора магнитной
индукции В через
к.-л. поверхность S:

Здесь dS
— элемент
площади, п
— единичный
вектор нормали к S. В
СИ М. п. измеряется в веберах (Во), в
гауссовой системе единиц (к-рая применяется
ниже) — в максвеллах (Мкс); 1 Вб=10⁸ Мкс.
Поскольку вектор В является
чисто вихревым
,
М. п. через произвольную замкнутую
поверхность S равен
нулю. Это свойство, установленное
Гауссом, может нарушаться только при
наличии внутри S
магнитных монополей, пока
ещё гипотетических.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Источник