Як зображують графічно лінії магнітної індукції. Індукція магнітного поля
« Фізика - 11 клас »
Електричне поле характеризується напруженістю електричного поля.
Напруженість електричного поля - це величина векторна. Магнітне поле характеризується магнітною індукцією.
Магнітна індукція - це векторна величина, вона позначається буквою.
Напрямок вектора магнітної індукції
За направлення вектора магнітної індукції приймається напрямок, яке показує північний полюс N магнітної стрілки, вільно встановлюється в магнітному полі.
Цей напрямок збігається з напрямком позитивної нормалі до замкнутого контуру зі струмом.
Використовуючи рамку з струмом або магнітну стрілку, можна визначити напрям вектора магнітної індукції в будь-якій точці поля.
У магнітному полі прямолінійного провідника зі струмом магнітна стрілка в кожній точці встановлюється по дотичній до окружності, площина якої перпендикулярна проводу, а центр її лежить на осі проводу.
правило свердлика
Напрямок вектора магнітної індукції встановлюють за допомогою правила свердлика.
Якщо напрямок поступального руху свердлика збігається з напрямом струму в провіднику, то напрям обертання ручки свердлика вказує напрямок вектора магнітної індукції
Лінії магнітної індукції
Магнітне поле можна показати за допомогою ліній магнітної індукції.
Лініями магнітної індукції називають лінії, дотичні до яких в будь-який їх точці збігаються з вектором в даній точці поля. Лінії вектора магнітної індукції аналогічні лініях вектора напруженості електростатичного поля.
Лінії магнітної індукції можна зробити видимими, скориставшись залізними тирсою.
Магнітне поле прямолінійного провідника зі струмом
Для пряого провідника зі струмом лінії магнітної індукції є концентричними колами, що лежать в площині, перпендикулярній цьому провіднику зі струмом. Центр кіл знаходиться на осі провідника. Стрілки на лініях вказують, в який бік спрямований вектор магнітної індукції, дотичний до цієї лінії.
Магнітне поле котушки зі струмом (соленоїда)
Якщо довжина соленоїда багато більше його діаметра, то магнітне поле всередині соленоїда можна вважати однорідним.
Лінії магнітної індукції такого поля паралельні і знаходяться на рівних відстанях один від одного.
Магнітне поле Землі
Лінії магнітної індукції поля Землі подібні ліній магнітної індукції поля соленоїда.
Магнітна вісь Землі становить з віссю обертання Землі кут 11,5 °.
Періодично магнітні полюси змінюють свою полярність.
вихровий поле
Силові лінії електростатичного поля завжди мають джерела: вони починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних.
А лінії магнітної індукції не мають ні початку, ні кінця, вони завжди замкнені.
Поля з замкнутими векторними лініями називають вихровими.
Магнітне поле - вихровий поле.
Магнітне поле не має джерел.
Магнітних зарядів, подібних електричним, в природі не існує.
Отже, Магнітне поле - це вихровий поле, в кожній його точці вектор магнітної індукції вказує магнітна стрілка, напрямок вектора магнітної індукції можна визначити за правилом гвинта
Для наочного зображення магнітного поля користуються лініями магнітної індукції. Лінією магнітної індукції називають таку лінію, в кожній точці якої індукція магнітного поля (вектор) спрямована по дотичній до кривої. Напрямок цих ліній збігається з напрямком поля. Домовилися лінії магнітної індукції проводити так, щоб число цих ліній, що припадають на одиницю площі майданчика, перпендикулярної до них, дорівнювало б модулю індукції в даній області поля. Тоді за густотою ліній магнітної індукції судять про магнітне поле. Там, де лінії гущі, модуль індукції магнітного поля більше. Лінії магнітної індукції завжди замкнутіна відміну від ліній напруженості електростатичного поля, Які розімкнуті (починаються і закінчуються на зарядах). Напрямок ліній магнітної індукції знаходиться за правилом правого гвинта: якщо поступальний рух гвинта збігається з напрямком струму, то його обертання відбувається в напрямку ліній магнітної індукції. Як приклад наведемо картину ліній магнітної індукції прямого струму, поточного перпендикулярно до площини креслення від нас за креслення (рис. 2).
|
|
|
| |
Мал. 3 Знайдемо циркуляцію індукції магнітного поля по колу довільного радіуса a, Що збігається з лінією магнітної індукції. Поле створюється струмом силою I, Поточним по нескінченно довгому провіднику, розташованим перпендикулярно до площини креслення (рис. 3). Індукція магнітного поля спрямована по дотичній до лінії магнітної індукції. Перетворимо вираз, так какa \u003d 0іcosa \u003d 1. Індукція магнітного поля, створюваного струмом, поточним по нескінченно довгому провіднику, обчислюється за формулою: B \u003dm0m I /(2p a), То 
Циркуляцію вектора по даному контуру, знаходимо за формулою (3): 
m 0 m I, так як 
- довжина окружності. Отже, 
Можна показати, що це співвідношення справедливо для контуру довільної форми, що охоплює провідник зі струмом. Якщо магнітне поле створено системою струмів I1, I2, ... , In, то циркуляція індукції магнітного поля по замкнутому контуру, що охоплює ці струми, дорівнює
(4)
Співвідношення (4) і є законом повного струму: циркуляція індукції магнітного поля по довільному замкненому контуру дорівнює добутку магнітної постійної, магнітної проникності на алгебраїчну суму сил струмів, які охоплюються цим контуром.
Силу струму можна знайти, використовуючи щільність струму j: де Sплоща поперечного перерізу провідника. Тоді закон повного струму записується у вигляді
(5)
МАГНІТНИЙ ПОТІК.
За аналогією з потоком напруженості електричного поля вводиться потік індукції магнітного поля або магнітний потік. Магнітним потоком через деяку поверхню називають число ліній магнітної індукції, що пронизують її. Нехай в неоднорідному магнітному полі знаходиться поверхню площею S. Для знаходження магнітного потоку через неї подумки поділимо поверхню на елементарні ділянки площею dS, Які можна вважати плоскими, а поле в їх межах однорідним (рис. 4). Тоді елементарний магнітний потік dФBчерез цю поверхню дорівнює: dФB \u003d B · dS ·cos a \u003d Bn dS, де B - модуль індукції магнітного поля в місці розташування майданчика, a - кут між вектором і нормаллю до майданчика, Bn \u003d B ·cos a- проекція індукції магнітного поля на напрям нормалі. магнітний потік Ф B через всю поверхню дорівнює сумі цих потоків dФB, тобто
  Мал. 4 |
(6)
оскільки підсумовування нескінченно малих величин - це інтегрування.
В системі одиниць СІ магнітний потік вимірюється в Вебера (Вб). 1 Вб \u003d 1 Тл · 1 м 2.
Теореми Гауса ДЛЯ магнітного поля
У електродинаміки доводиться наступна теорема: магнітний потік, який пронизує довільну замкнуту поверхню, дорівнює нулю , Тобто
Це співвідношення отримало назву теореми Гаусса для магнітного поля. Ця теорема є наслідком того, що в природі не існує "магнітних зарядів" (на відміну від електричних) і лінії магнітної індукції завжди замкнуті (на відміну від ліній напруженості електростатичного поля, які починаються і закінчуються на електричних зарядах).
РОБОТА З ПЕРЕМІЩЕННЯ ПРОВІДНИКА З СТРУМОМ В МАГНІТНОМУ ПОЛЕ
|
Відомо, що на провідник зі струмом в магнітному полі діє сила Ампера. Якщо провідник переміщається, то при його русі ця сила здійснює роботу. Визначимо її для окремого випадку. Розглянемо електричний ланцюг, один з ділянок DCякої може ковзати (без тертя) по контактам. При цьому ланцюг утворює плоский контур. Цей контур знаходиться в однорідному магнітному полі з індукцією перпендикулярної до площини контуру, направленому на нас (рис. 5). на ділянку DCдіє сила Ампера,
F \u003d BIl ·sina \u003d BIl, (8)
де l - довжина ділянки, I - сила струму, поточного по провіднику. - кут між напрямками струму і магнітного поля. (В даному случаеa \u003d 90 ° іsin a \u003d 1). Напрямок сили знаходимо за правилом лівої руки. При переміщенні ділянки DCна елементарне відстань dx відбувається елементарна робота dA, що дорівнює dA \u003d F · dx. З огляду на (8), отримуємо:
dA \u003d BIl · dx \u003d IB · dS \u003d I · dФB, (9)
оскільки dS \u003d l · dx- площа, що описується провідником при своєму русі, dФB \u003d B · dS- магнітний потік через цю площу або зміна магнітного потоку через площу плоского замкнутого контуру. Вираз (9) справедливо і для неоднорідного магнітного поля. Таким чином, робота по переміщенню замкнутого контуру з постійним струмом в магнітному полі дорівнює добутку сили струму на зміну магнітного потоку через площу цього контуру.
ЯВИЩЕ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ
Явище електромагнітної індукції полягає в наступному: при кожній зміні магнітного потоку, що пронизує площу, що охоплюються проводять контуром, в ньому виникає електрорушійна сила. її називають е.р.с. індукції . Якщо контур замкнутий, то під дією ЕРС з'являється електричний струм, названий індукційним .
Розглянемо один з дослідів, проведених Фарадеем, по виявленню індукційного струму, отже, і е.р.с. індукції. Якщо в соленоїд, замкнутий на дуже чутливий електровимірювальні прилади (гальванометр) (рис. 6), всувати або висувати магніт, то при русі магніту спостерігається відхилення стрілки гальванометра, що свідчить про виникнення індукційного струму. Те ж саме спостерігається при русі соленоїда щодо магніту. Якщо ж магніт і соленоїд нерухомі відносно один одного, то і індукційний струм не виникає. Таким чином, при взаємному русі зазначених тіл відбувається зміна магнітного потоку, створюваного магнітним полем магніту, через витки соленоїда, що і призводить до появи індукційного струму, викликаного виникає е.р.с. індукції.
|
Правило Ленца
Напрямок індукційного струму визначається правилом Ленца : індукційний струм завжди має такий напрямок, що створюване їм магнітне поле перешкоджає зміні магнітного потоку, яке викликає цей струм. З цього випливає, що при зростанні магнітного потоку виникає індукційний струм буде мати такий напрямок, щоб породжене їм магнітне поле було направлено проти зовнішнього поля, протидіючи збільшення магнітного потоку. Зменшення магнітного потоку, навпаки, призводить до появи індукційного струму, що створює магнітне поле, що збігається по напрямку з зовнішнім полем.
|
Нехай, наприклад, в однорідному магнітному полі знаходиться квадратна рамка, виготовлена \u200b\u200bз металу і пронизує магнітним полем (рис.7). Припустимо, що магнітне поле зростає. Це призводить до збільшення магнітного потоку через площу рамки. Згідно з правилом Ленца, магнітне поле, що виникає індукційного струму буде направлено проти зовнішнього поля, тобто вектор цього поля протилежний вектору. Застосовуючи правило правого гвинта (якщо гвинт обертати так, щоб його поступальний рух збігався з напрямом магнітного поля, то його обертальний рух дає напрямок струму), знаходимо напрям індукційного струму Ii.
ЗАКОН ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ.
Закон електромагнітної індукції, який визначає виникає е.р.с., був відкритий Фарадеєм дослідним шляхом. Однак його можна отримати, виходячи із закону збереження енергії.
Повернемося до електричного кола, наведеної на рис. 5, вміщеній в магнітне поле. Знайдемо роботу, що здійснюються джерелом струму з ЕРС eза елементарний проміжок часу dt, При переміщенні зарядів по ланцюгу. З визначення е.р.с. робота dAсторсторонніх сил дорівнює: dAстор \u003d e · dq, де dq - величина заряду, що протікає по ланцюгу за час dt. але dq \u003d I · dt, де I - сила струму в ланцюзі. тоді
dA стор \u003d e · I · dt. (10)
Робота джерела струму витрачається на виділення деякої кількості теплоти dQі на роботу dA по переміщенню провідника DCв магнітному полі. Відповідно до закону збереження енергії, має виконуватися рівність
dA стор \u003d dQ + dA.(11)
Із закону Джоуля - Ленца запишемо:
dQ \u003d I2R · dt, (12)
де R - повний опір цього ланцюга, а з виразу (9)
dA \u003d I · dФB, (13)
де dФB- зміна магнітного потоку через площу замкнутого контуру при русі провідника. Підставляючи вирази (10), (12) і (13) в формулу (12), після скорочення на I, отримуємо e· dt \u003d IR · dt + dФB. Розділивши обидві частини цієї рівності на dt, Знаходимо: I = (e -З цього виразу випливає висновок, що в ланцюзі, крім е.р.с. e, Діє ще якась електрорушійна сила ei, що дорівнює
(14)
і обумовлена \u200b\u200bзміною магнітного потоку, що пронизує площу контуру. Ця е.р.с. і є е.р.с. електромагнітної індукції або коротко е.р.с. індукції. Співвідношення (14) являє собою закон електромагнітної індукції, Який формулюється: е.р.с. індукції в контурі дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, що пронизує площу, що охоплюється цим контуром. Знак мінус у формулі (14) є математичним виразом правила Ленца.
Ми не можемо побачити магнітне поле, проте для кращого розуміння магнітних явищ важливо навчитися його зображувати. У цьому допоможуть магнітні стрілки. Кожна така стрілка - це маленький постійний магніт, який легко повертається в горизонтальній площині (рис. 2.1). Про те, як графічно зображують магнітне поле і яка фізична величина його характеризує, ви дізнаєтеся з цього параграфа.
Мал. 2.2. У магнітному полі магнітні стрілки орієнтуються певним чином: північний полюс стрілки вказує напрямок вектора індукції магнітного поля в даній точці
Вивчаємо силову характеристику магнітного поля
Якщо заряджена частинка рухається в магнітному полі, то поле буде діяти на частку з деякою силою. Значення цієї сили залежить від заряду частинки, напрямки та значення швидкості її руху, а також від того, наскільки сильним є поле.
Силовий характеристикою магнітного поля є магнітна індукція.
Магнітна індукція (індукція магнітного поля) - це векторна фізична величина, що характеризує силову дію магнітного поля.
Магнітну індукцію позначають символом B.
Одиниця магнітної індукції в СІ - тесла; названа на честь сербського фізика Ніколи Тесли (1856-1943):
За направлення вектора магнітної індукції в даній точці магнітного поля прийнято напрямок, на яке вказує північний полюс магнітної стрілки, встановленої в цій точці (рис. 2.2).
Зверніть увагу! Напрямок сили, з якою магнітне поле діє на рухомі заряджені частинки або на провідник зі струмом, або на магнітну стрілку, не збігається з напрямком вектора магнітної індукції.
Магнітні лінії:
Мал. 2.3. Лінії магнітного поля смугового магніту
Поза магніту виходять з північного полюса магніту і входять в південний;
Завжди замкнуті (магнітне поле - це вихровий поле);
Найбільш густо розташовані біля полюсів магніту;
Ніколи не перетинаються
Изображаем магнітне поле
На рис. 2.2 бачимо, як орієнтуються магнітні стрілки в магнітному полі: їх осі як ніби утворюють лінії, а вектор магнітної індукції в кожній точці спрямований уздовж дотичної до лінії, що проходить через цю точку.
За допомогою магнітних ліній графічно зображують магнітні поля:
1) за напрямок лінії магнітної індукції в даній точці прийнято напрямок вектора магнітної індукції;
Мал. 2.4. Ланцюжки ошурки відтворюють картину ліній магнітної індукції магнітного поля подковообразного магніту
2) чим більше модуль магнітної індукції, тим ближче один до одного креслять магнітні лінії.
Розглянувши графічне зображення магнітного поля смугового магніту, можна зробити деякі висновки (див. На рис. 2.3).
Зауважимо, що дані висновки справедливі для магнітних ліній будь-якого магніту.
Який напрямок мають магнітні лінії всередині смугового магніту?
Картину магнітних ліній можна відтворити за допомогою залізної тирси.
Візьмемо підковоподібний магніт, покладемо на нього пластинку з оргскла і через ситечко будемо насипати на платівку залізні ошурки. У магнітному полі кожен шматочок заліза намагнітиться і перетвориться в маленьку «магнітну стрілку». Імпровізовані «стрілки» визначаться уздовж магнітних ліній магнітного поля магніту (рис. 2.4).
Зобразіть картину магнітних ліній магнітного поля подковообразного магніту.
Дізнаємося про однорідному магнітному полі
Магнітне поле в деякій частині простору називають однорідним, якщо в кожній його точці вектори магнітної індукції однакові як по модулю, так і по напрямку (рис. 2.5).
На ділянках, де магнітне поле однорідне, лінії магнітної індукції паралельні і розташовані на однаковій відстані один від одного (рис. 2.5, 2.6). Магнітні лінії однорідного магнітного поля, спрямовані до нас, прийнято зображати точками (рис. 2.7, а) - ми наче бачимо «вістря стріл», що летять до нас. Якщо магнітні лінії спрямовані від нас, то їх зображують хрестиками - ми наче бачимо «оперення стріл», що летять від нас (рис. 2.7, б).
У більшості випадків ми маємо справу з неоднорідним магнітним полем, - полем, в різних точках якого вектори магнітної індукції мають різні значення і напрямки. Магнітні лінії такого поля викривлені, а їх щільність різна.
Мал. 2.6. Магнітне поле всередині смугового магніту (а) і між двома магнітами, зверненими один до одного різнойменними полюсами (б), можна вважати однорідним
Вивчаємо магнітне поле Землі
Для вивчення земного магнетизму Вільям Гільберт виготовив постійний магніт у вигляді кулі (модель Землі). Розташувавши на кулі компас, він зауважив, що стрілка компаса поводиться так само, як на поверхні Землі.
Експерименти дозволили вченому припустити, що Земля - \u200b\u200bце величезний магніт, а на півночі нашої планети розташований її південний магнітний полюс. Подальші дослідження підтвердили гіпотезу В. Гільберта.
На рис. 2.8 зображена картина ліній магнітної індукції магнітного поля Землі.
мал. 2.7. Зображення ліній магнітної індукції однорідного магнітного поля, які перпендикулярні площині малюнка і спрямовані до нас (а); спрямовані від нас (б)
Уявіть, що ви йдете до Північного полюса, рухаючись точно в тому напрямку, на яке вказує стрілка компаса. Досягнете ви місця призначення?
Лінії магнітної індукції магнітного поля Землі не паралельні її поверхні. Якщо закріпити магнітну стрілку в карданном підвісі, тобто так, щоб вона могла вільно обертатися як навколо горизонтальної, так
Мал. 2.8. Схема розташування магнітних ліній магнітного поля планети Земля
і навколо вертикальної осей, стрілка встановиться під кутом до поверхні Землі (рис. 2.9).
Як буде розташована магнітна стрілка в пристрої на рис. 2.9 поблизу північного магнітного полюса Землі? поблизу південного магнітного полюса Землі?
Магнітне поле Землі здавна допомагало орієнтуватися мандрівникам, морякам, військовим і не тільки їм. Доведено, що риби, морські ссавці і птиці під час своїх міграцій орієнтуються по магнітному полю Землі. Так само орієнтуються, шукаючи шлях додому, і деякі тварини, наприклад кішки.
Дізнаємося про магнітні бурі
Дослідження показали, що в будь-якій місцевості магнітне поле Землі періодично, щодоби, змінюється. Крім того, спостерігаються невеликі щорічні зміни магнітного поля Землі. Трапляються, проте, і різкі його зміни. Сильні зміни магнітного поля Землі, які охоплюють всю планету і тривають від одного до декількох днів, називають магнітними бурями. Здорові люди їх практично не відчувають, а ось у тих, хто має серцево-судинні захворювання і захворювання нервової системи, магнітні бурі викликають погіршення самопочуття.
Магнітне поле Землі - своєрідний «щит», який захищає нашу планету від летять з космосу, в основному від Сонця ( «сонячний вітер»), заряджених частинок. Поблизу магнітних полюсів потоки частинок підлітають досить близько до атмосфери Землі. При зростанні сонячної активності космічні частинки потрапляють у верхні шари атмосфери і іонізують молекули газу - на Землі спостерігаються полярні сяйва (рис. 2.10).
підводимо підсумки
Магнітна індукція В - це векторна фізична величина, що характеризує силову дію магнітного поля. Напрямок вектора магнітної індукції збігається з напрямком, на яке вказує північний полюс магнітної стрілки. Одиниця магнітної індукції в СІ - тесла (Тл).
Умовні спрямовані лінії, в кожній точці яких дотична збігається з лінією, уздовж якої спрямований вектор магнітної індукції, називають лініями магнітної індукції або магнітними лініями.
Лінії магнітної індукції завжди замкнуті, поза магніту вони виходять з північного полюса магніту і входять в південний, гущі розташовані в тих областях магнітного поля, де модуль магнітної індукції більше.
Планета Земля має магнітне поле. Поблизу північного географічного полюса Землі розташований її південний магнітний полюс, поблизу південного географічного полюса - північний магнітний полюс.
Контрольні питання
1. Дайте визначення магнітної індукції. 2. Як спрямований вектор магнітної індукції? 3. Яка одиниця магнітної індукції в СІ? На честь кого вона названа? 4. Наведіть визначення ліній магнітної індукції. 5. Який напрям прийнято за напрямок магнітних ліній? 6. Від чого залежить густота магнітних ліній? 7. Яке магнітне поле називають однорідним? 8. Доведіть, що Земля має магнітне поле. 9. Як розташовані магнітні полюси Землі щодо географічних? 10. Що таке магнітні бурі? Як вони впливають на людину?
Вправа № 2
1. На рис. 1 зображені лінії магнітної індукції на деякій ділянці магнітного поля. Для кожного випадку а-в визначте: 1) яке це поле - однорідне або неоднорідне; 2) напрямок вектора магнітної індукції в точках А і В поля; 3) в якій точці - А чи В - магнітна індукція поля більше.
2. Чому сталева віконна решітка може з часом намагнітитися?
3. На рис. 2 зображені лінії магнітного поля, створеного двома однаковими постійними магнітами, зверненими один до одного однойменними полюсами.
1) Чи існує магнітне поле в точці А?
2) Яке напрям вектора магнітної індукції в точці В? в точці С?
3) У якій точці - А, В або С - магнітна індукція поля найбільша?
4) Яке напрям векторів магнітної індукції всередині магнітів?
4. Раніше під час експедицій на Північний полюс виникали труднощі у визначенні напрямку руху, адже поблизу полюса звичайні компаси майже не працювали. Як ви думаєте, чому?
5. Скористайтеся додатковими джерелами інформації і з'ясуйте, яке значення має магнітне поле для життя на нашій планеті. Що сталося б, якби магнітне поле Землі раптом зникло?
6. Чи існують ділянки земної поверхні, де магнітна індукція магнітного поля Землі значно більше, ніж в сусідніх областях. Скористайтеся додатковими джерелами інформації і дізнайтеся про магнітних аномаліях докладніше.
7. Поясніть, чому будь-який незаряджене тіло завжди притягається до тіла, що має електричний заряд.
Це матеріал підручника
Уже в VI ст. до н.е. в Китаї було відомо, що деякі руди мають здатність притягуватися один до одного і притягувати залізні предмети. Шматки таких руд були знайдені біля міста Магнесии в Малій Азії, тому вони отримали назву магнітів.
За допомогою чого взаємодіють магніт і залізні предмети? Згадаймо, чому притягуються наелектризовані тіла? Тому що близько електричного заряду утворюється своєрідна форма матерії - електричне поле. Навколо магніту існує подібна форма матерії, але має іншу природу походження (адже руда електрично нейтральна), її називають магнітним полем.
Для вивчення магнітного поля використовують прямий або підковоподібний магніти. Певні місця магніту володіють найбільшим притягає дією, їх називають полюсами (Північний і південний). Різнойменні магнітні полюси притягуються, а однойменні - відштовхуються.
Для силової характеристики магнітного поля використовують вектор індукції магнітного поля B. Магнітне поле графічно зображують за допомогою силових ліній ( лінії магнітної індукції). Лінії є замкнутими, не мають ні початку, ні кінця. Місце, з якого виходять магнітні лінії - північний полюс (North), входять магнітні лінії в південний полюс (South).
Магнітне поле можна зробити "видимим" за допомогою залізної тирси.
Магнітне поле провідника зі струмом
А тепер про те, що виявили Ханс Крістіан Ерстед і Андре Марі Ампер в 1820 р Виявляється, магнітне поле існує не тільки навколо магніту, а й будь-якого провідника зі струмом. Будь-провід, наприклад, шнур від лампи, по якому протікає електричний струм, є магнітом! Провід зі струмом взаємодіє з магнітом (спробуйте піднести до нього компас), два дроти з струмом взаємодіють один з одним.
Силові лінії магнітного поля прямого струму - це кола навколо провідника.
Напрямок вектора магнітної індукції
Напрямок магнітного поля в даній точці можна визначити як напрям, який вказує північний полюс стрілки компаса, поміщеного в цю точку.
Напрямок ліній магнітної індукції залежить від напрямку струму в провіднику.
Визначається напрямок вектора індукції за правилом свердлика або правилом правої руки.
Вектор магнітної індукції
Це векторна величина, що характеризує силову дію поля.
Індукція магнітного поля нескінченного прямолінійного провідника зі струмом на відстані r від нього:
Індукція магнітного поля в центрі тонкого кругового витка радіуса r:
Індукція магнітного поля соленоїда (Котушка, витки якої послідовно обходяться струмом в одному напрямку):
принцип суперпозиції
Якщо магнітне поле в даній точці простору створюється кількома джерелами поля, то магнітна індукція - векторна сума індукції кожного з полів окремо
Земля є не тільки великим негативним зарядом і джерелом електричного поля, але в той же час магнітне поле нашої планети подібно полю прямого магніту гігантських розмірів.
Географічний південь знаходиться недалеко від магнітної півночі, а географічний північ наближений до магнітного південь. Якщо компас розмістити в магнітному полі Землі, то його північна стрілка орієнтується уздовж ліній магнітної індукції в напрямку південного магнітного полюса, тобто вкаже нам, де розташовується географічний північ.
Характерні елементи земного магнетизму вельми повільно змінюються з плином часу - вікові зміни. Однак час від часу відбуваються магнітні бурі, коли протягом декількох годин магнітне поле Землі сильно спотворюється, а потім поступово повертається до колишніх значень. Така різка зміна впливає на самопочуття людей.
Магнітне поле Землі є "щитом", який прикриває нашу планету від частинок, що проникають з космосу ( "сонячного вітру"). Поблизу магнітних полюсів потоки частинок підходять набагато ближче до поверхні Землі. При потужних сонячних спалахів магнітосфера деформується, і ці частинки можуть переходити в верхні шари атмосфери, де стикаються з молекулами газу, утворюються полярні сяйва.
Частинки діоксиду заліза на магнітній плівці добре намагнічуються в процесі запису.
Потяги на магнітній подушці ковзають над поверхнею абсолютно без тертя. Поїзд здатний розвивати швидкість до 650 км / ч.
Робота головного мозку, пульсація серця супроводжується електричними імпульсами. При цьому в органах виникає слабке магнітне поле.
Теми кодификатора ЄДІ: Взаємодія магнітів, магнітне поле провідника зі струмом.
Магнітні властивості речовини відомі людям давно. Магніти отримали свою назву від античного міста Магнесія: в його околицях був поширений мінерал (названий згодом магнітним залізняком або магнетитом), шматки якого притягували залізні предмети.
взаємодія магнітів
На двох сторонах кожного магніту розташовані північний полюс і південний полюс. Два магніту притягуються один до одного різнойменними полюсами і відштовхуються однойменними. Магніти можуть діяти один на одного навіть крізь вакуум! Все це нагадує взаємодію електричних зарядів, однак взаємодія магнітів не є електричним. Про це свідчать наступні досліди.
Магнітна сила слабшає при нагріванні магніту. Сила ж взаємодії точкових зарядів не залежить від їх температури.
Магнітна сила слабшає, якщо трясти магніт. Нічого подібного з електрично зарядженими тілами не відбувається.
Позитивні електричні заряди можна відокремити від негативних (наприклад, при електризації тіл). А ось розділити полюса магніту не виходить: якщо розрізати магніт на дві частини, то в місці розрізу також виникають полюса, і магніт розпадається на два магніти з різнойменними полюсами на кінцях (орієнтованих точно так же, як і полюса вихідного магніту).
Таким чином, магніти завжди двополюсні, вони існують тільки у вигляді диполів. Ізольованих магнітних полюсів (так званих магнітних монополів - аналогів електричного заряду) в при роді не існує (у всякому разі, експериментально вони поки не виявлені). Це, мабуть, найбільш вражаюча асиметрія між електрикою і магнетизмом.
Як і електрично заряджені тіла, магніти діють на електричні заряди. Однак магніт діє тільки на рухомий заряд; якщо заряд покоїться щодо магніту, то дії магнітної сили на заряд не спостерігається. Навпаки, наелектризоване тіло діє на будь-який заряд, незалежно від того, покоїться він або рухається.
За сучасними уявленнями теорії близкодействия, взаємодія магнітів здійснюється за допомогою магнітного поля.А саме, магніт створює в навколишньому просторі магнітне поле, яке діє на інший магніт і викликає видиме тяжіння або відштовхування цих магнітів.
Прикладом магніту служить магнітна стрілка компаса. За допомогою магнітної стрілки можна судити про наявність магнітного поля в даній області простору, а також про направлення поля.
Наша планета Земля є гігантським магнітом. Неподалік від північного географічного полюса Землі розташований південний магнітний полюс. Тому північний кінець стрілки компаса, повертаючись до південного магнітного полюса Землі, вказує на географічний північ. Звідси, власне, і виникла назва «північний полюс» магніту.
Лінії магнітного поля
Електричне поле, нагадаємо, досліджується за допомогою маленьких пробних зарядів, за дією на які можна судити про величину і напрямку поля. Аналогом пробного заряду в разі магнітного поля є маленька магнітна стрілка.
Наприклад, можна отримати деяке геометричне уявлення про магнітне поле, якщо розмістити в різних точках простору дуже маленькі стрілки компаса. Досвід показує, що стрілки вишикуються вздовж певних ліній -так званих ліній магнітного поля. Дамо визначення цього поняття у вигляді наступних трьох пунктів.
1. Лінії магнітного поля, або магнітні силові лінії - це спрямовані лінії в просторі, що володіють наступною властивістю: маленька стрілка компаса, поміщена в кожній точці такої лінії, орієнтується по дотичній до цієї лінії.
2. Напрямком лінії магнітного поля вважається напрямок північних кінців стрілок компаса, розташованих в точках даної лінії.
3. Чим густіше йдуть лінії, тим сильніше магнітне поле в даній області простору.
Роль стрілок компаса з успіхом можуть виконувати залізну тирсу: в магнітному полі маленькі тирса намагнічуються і поводяться в точності як магнітні стрілки.
Так, насипавши ошурки навколо постійного магніту, ми побачимо приблизно таку картину ліній магнітного поля (рис. 1).
Мал. 1. Поле постійного магніту
Північний полюс магніту позначається синім кольором і буквою; південний полюс - червоним кольором і буквою. Зверніть увагу, що лінії поля виходять з північного полюса магніту і входять в південний полюс: адже саме до південного полюса магніту буде спрямований північний кінець стрілки компаса.
Дослід Ерстеда
Незважаючи на те, що електричні та магнітні явища були відомі людям ще з античності, ніякого взаємозв'язку між ними довгий час не спостерігалося. Протягом декількох століть дослідження електрики і магнетизму йшли паралельно і незалежно один від одного.
Той чудовий факт, що електричні та магнітні явища насправді пов'язані один з одним, був вперше виявлений в 1820 році - в знаменитому досвіді Ерстеда.
Схема досвіду Ерстеда показана на рис. 2 (зображення з сайту rt.mipt.ru). Над магнітною стрілкою (і - північний і південний полюси стрілки) розташований металевий провідник, підключений до джерела струму. Якщо замкнути ланцюг, то стрілка повертається перпендикулярно провіднику!
Цей простий досвід прямо вказав на взаємозв'язок електрики і магнетизму. Експерименти пішли за досвідом Ерстеда, твердо встановили таку закономірність: магнітне поле породжується електричними струмами і діє на струми.
Мал. 2. Досвід Ерстеда
Картина ліній магнітного поля, породженого провідником зі струмом, залежить від форми провідника.
Магнітне поле прямого проводу з струмом
Лінії магнітного поля прямолінійного проводу зі струмом є концентричними колами. Центри цих кіл лежать на дроті, а їх площини перпендикулярні проводу (рис. 3).
Мал. 3. Поле прямого проводу з струмом
Для визначення напрямку ліній магнітного поля прямого струму існують два альтернативних правила.
Правило годинникової стрілки. Лінії поля йдуть проти годинникової стрілки, якщо дивитися так, щоб струм тек на нас.
правило гвинта (або правило гвинта, або правило штопора - це вже кому що ближче ;-)). Лінії поля йдуть туди, куди треба обертати гвинт (зі звичайною правою різьбою), щоб він рухався по різьбі в напрямку струму.
Користуйтеся тим правилом, яке вам більше до душі. Краще звикнути до правилу годинникової стрілки - ви самі згодом переконаєтеся, що воно більш універсально і їм простіше користуватися (а потім з вдячністю згадаєте його на першому курсі, коли будете вивчати аналітичну геометрію).
На рис. 3 з'явилося і дещо нове: це вектор, який називається індукцією магнітного поля, або магнітної індукції. Вектор магнітної індукції є аналогом вектора напруженості електричного поля: він служить силовий характеристикою магнітного поля, визначаючи силу, з якою магнітне поле діє на рухомі заряди.
Про силах в магнітному полі ми поговоримо пізніше, а поки відзначимо лише, що величина і напрямок магнітного поля визначається вектором магнітної індукції. У кожній точці простору вектор направлений туди ж, куди і північний кінець стрілки компаса, вміщеній в дану точку, а саме по дотичній до лінії поля в напрямку цієї лінії. Вимірюється магнітна індукція в теслах (Тл).
Як і в разі електричного поля, для індукції магнітного поля справедливий принцип суперпозиції. Він полягає в тому, що індукції магнітних полів, створюваних в даній точці різними струмами, складаються векторно і дають результуючий вектор магнітної індукції:.
Магнітне поле витка зі струмом
Розглянемо кругової виток, по якому циркулює постійний струм. Джерело, що створює струм, ми на малюнку не показуємо.
Картина ліній поля нашого витка матиме приблизно такий вигляд (рис. 4).
Мал. 4. Поле витка зі струмом
Нам буде важливо вміти визначати, в яке полупространство (щодо площині витка) направлено магнітне поле. Знову маємо два альтернативних правила.
Правило годинникової стрілки. Лінії поля йдуть туди, дивлячись звідки струм здається циркулює проти годинникової стрілки.
правило гвинта. Лінії поля йдуть туди, куди буде переміщатися гвинт (зі звичайною правою різьбою), якщо обертати його в напрямку струму.
Як бачите, ток і поле міняються ролями - в порівнянні з формулюваннями цих правил для випадку прямого струму.
Магнітне поле котушки зі струмом
котушка вийде, якщо щільно, виток до витка, намотати провід в досить довгу спіраль (рис. 5 - зображення з сайту en.wikipedia.org). У котушці може бути кілька десятків, сотень або навіть тисяч витків. Котушка називається ще соленоидом.
Мал. 5. Котушка (соленоїд)
Магнітне поле одного витка, як ми знаємо, виглядає не дуже-то просто. Поля? окремих витків котушки накладаються один на одного, і, здавалося б, в результаті повинна вийти зовсім вже заплутана картина. Однак це не так: поле довгою котушки має несподівано просту структуру (рис. 6).
Мал. 6. поле котушки зі струмом
На цьому малюнку ток в котушці йде проти годинникової стрілки, якщо дивитися зліва (так буде, якщо на рис. 5 правий кінець котушки підключити до «плюса» джерела струму, а лівий кінець - до «мінуса»). Ми бачимо, що магнітне поле котушки володіє двома характерними властивостями.
1. Усередині котушки далеко від її країв магнітне поле є однорідним: В кожній точці вектор магнітної індукції однаковий за величиною і напрямком. Лінії поля - паралельні прямі; вони викривляються лише поблизу країв котушки, коли виходять назовні.
2. Поза котушки поле близьке до нуля. Чим більше витків в котушці - тим слабкіше поле зовні неї.
Зауважимо, що нескінченно довга котушка взагалі не випускає поле назовні: поза котушки магнітне поле відсутнє. Усередині такої котушки поле всюди є однорідним.
Нічого не нагадує? Котушка є «магнітним» аналогом конденсатора. Ви ж пам'ятаєте, що конденсатор створює усередині себе однорідне електричне поле, лінії якого викривляються лише поблизу країв пластин, а поза конденсатора поле близьке до нуля; конденсатор з нескінченними обкладинками взагалі не випускає поле назовні, а всюди всередині нього поле є однорідним.
А тепер - головне спостереження. Зіставте, будь ласка, картину ліній магнітного поля поза котушки (рис. 6) з лініями поля магніту на рис. 1. Одне і те ж, чи не так? І ось ми підходимо до питання, яке, ймовірно, у вас вже давно виник: якщо магнітне поле породжується струмами і діє на струми, то яка причина виникнення магнітного поля поблизу постійного магніту? Адже цей магніт начебто не є провідником зі струмом!
Гіпотеза Ампера. елементарні струми
Спочатку думали, що взаємодія магнітів пояснюється особливими магнітними зарядами, зосередженими на полюсах. Але, на відміну від електрики, ніхто не міг ізолювати магнітний заряд; адже, як ми вже говорили, не вдавалося отримати окремо північний і південний полюс магніту - полюса завжди присутні в магніті парами.
Сумніви щодо магнітних зарядів посилив досвід Ерстеда, коли з'ясувалося, що магнітне поле породжується електричним струмом. Більш того, виявилося, що для будь-якого магніту можна підібрати провідник зі струмом відповідної конфігурації, такий, що поле цього провідника збігається з полем магніту.
Ампер висунув сміливу гіпотезу. Немає ніяких магнітних зарядів. Дія магніту пояснюється замкнутими електричними струмами всередині нього.
Що це за струми? ці елементарні струми циркулюють всередині атомів і молекул; вони пов'язані з рухом електронів по атомним орбітах. Магнітне поле будь-якого тіла складається з магнітних полів цих елементарних струмів.
Елементарні струми можуть бути безладним чином розташовані один щодо одного. Тоді їх поля взаємно погашаються, і тіло не виявляє магнітних властивостей.
Але якщо елементарні струми розташовані узгоджено, то їх поля, складаючись, підсилюють один одного. Тіло стає магнітом (рис. 7; магніти поле буде направлено на нас; також на нас буде спрямований і північний полюс магніту).
Мал. 7. Елементарні струми магніту
Гіпотеза Ампера про елементарні токах прояснила властивості магнітов.Нагреваніе і тряска магніту руйнують порядок розташування його елементарних струмів, і магнітні властивості слабшають. Неподільність полюсів магніту стала очевидною: в місці розрізу магніту ми отримуємо ті ж елементарні струми на торцях. Здатність тіла намагнічуватися в магнітному полі пояснюється узгодженим вибудовуванням елементарних струмів, «повертаються» належним чином (про поворот кругового струму в магнітному полі читайте в наступному листку).
Гіпотеза Ампера виявилася справедливою - це показав подальший розвиток фізики. Уявлення про елементарні токах стали невід'ємною частиною теорії атома, розробленої вже в ХХ столітті - майже через сто років після геніальної здогадки Ампера.
