Вектор индукции однородного магнитного поля. Магнитное поле. Индукция магнитного поля
Если два параллельно расположенных проводника подсоединить к источнику тока так, чтобы по ним прошел электрический ток, то в зависимости от направления тока в них проводники либо отталкиваются, либо притягиваются.
Объяснение этого явления возможно с позиции возникновения вокруг проводников особого вида материи - магнитного поля.
Затем мы записали новые значения для переменных, которые оставались бы неизменными во время изучения этой новой зависимости. Эти величины были записаны в первых двух столбцах таблицы 3. После этого, используя катушки с таким же числом оборотов и разным диаметром, были записаны последовательные реальные значения разности электрических потенциалов. С этим регистром можно ознакомиться во второй части таблицы 3. Также добавьте метод измерения диаметра испытательных катушек: для каждой испытательной катушки измерение внешнего диаметра катушки было выполнено с помощью шпильки.
Силы, с которыми взаимодействуют проводники с током, называютсямагнитными .
Магнитное поле - это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела.
Однако это измерение не соответствует точно диаметру катушки, поскольку должно быть выполнено измерение внешнего и внутреннего диаметра катушки, причем диаметр, который должен использоваться, является результатом среднего значения между двумя значениями.
Поэтому было решено, что внешний диаметр будет лучшим приближением к фактическому диаметру испытательных катушек. Показывает, что разность потенциалов изменяется линейно с площадью поперечного сечения испытательных катушек. Этот факт был доказан чертежом графика и его вычислением прямой методом наименьших квадратов. Далее, полезно отметить, что, как и в предыдущей зависимости, запись зависимости разностей потенциалов с площадью участка испытательной катушки была сделана с использованием мультиметров, а не осциллографа, в качестве инструментов записи данных.
История магнетизма уходит корнями в глубокую древность, к античным цивилизациям Малой Азии. Именно на территории Малой Азии, в Магнезии, находили горную породу, образцы которой притягивались друг к другу. По названию местности такие образцы и стали называть "магнетиками". Любой магнит в форме стержня или подковы имеет два торца, которые называются полюсами; именно в этом месте сильнее всего и проявляются его магнитные свойства. Если подвесить магнит на нитке, один полюс всегда будет указывать на север. На этом принципе основан компас. Обращенный на север полюс свободно висящего магнита называется северным полюсом магнита (N). Противоположный полюс называется южным полюсом (S).
Так же, как и в предыдущих исследованиях, соблюдались максимальные пределы интенсивности электрического тока и линейная частота электрического сигнала. Однако эта запись по-прежнему показывает прямолинейное поведение. Хотя ордината в начале и на склоне была определена с высокой точностью, для более поздней критики стоит отметить, что наклон линии регулировки в методе осциллографа меньше, чем наклон линии регулировки в методе мультиметры. Изучив зависимость разностей электрических потенциалов от площади секции катушки, было разработано исследование зависимости разности потенциалов на выводах испытательной катушки с угловой частотой электрического сигнала.
Магнитные полюсы взаимодействуют друг с другом: одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Аналогично концепции электрического поля, окружающего электрический заряд, вводят представление о магнитном поле вокруг магнита.
В 1820 г. Эрстед (1777-1851) обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная рядом с электрическим проводником, отклоняется, когда по проводнику течет ток, т. е. вокруг проводника с током создается магнитное поле. Если взять рамку с током, то внешнее магнитное поле взаимодействует с магнитным полем рамки и оказывает на нее ориентирующее действие, т. е. существует такое положение рамки, при котором внешнее магнитное поле оказывает на нее максимальное вращающее действие, и существует положение, когда вращающий момент сил равен нулю.
Параметры, которые были сохранены постоянными во всем этом исследовании, перечислены в первой половине таблицы 5. Электрическая разность потенциалов регистрировалась как функция угловых частот сигнала, охватывающего весь диапазон линейных частот, для которых применим экспериментальный метод Кроме того, следует отметить, что при изменении частоты, интенсивность тока через соленоид должна была быть скорректирована до ранее установленного значения, поскольку изменение частоты слегка изменяет амплитуду генерируемый ток.
Следует отметить, что существует некоторая дисперсия собранных данных, однако это явно прямолинейное поведение. Этот факт подчеркивает предсказание, сделанное теорией, поскольку в уравнении индуцированная разность потенциалов в испытательной катушке прямо пропорциональна угловой частоте электрического сигнала.
Магнитное поле в любой точке можно охарактеризовать вектором В, который называется вектором магнитной индукции или магнитной индукцией в точке.
Магнитная индукция В - это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в точке. Она равна отношению максимального механического момента сил, действующих на рамку с током, помещенную в однородное поле, к произведению силы тока в рамке на ее площадь:
Как и в предыдущих исследованиях, данные из применяемых мультиметров были также собраны для этого исследования. Эти экспериментальные данные можно найти в таблице 6. Следует отметить, что также соблюден приблизительный интервал, для которого используется экспериментальный метод, а именно Гц.
Следует отметить, что при сравнении а и а ясно, что данные, собранные на мультиметрах, показали меньшую дисперсию, чем данные, записанные на осциллографе. Обратите внимание, однако, что в этих двух исследованиях наклон линии регулировки в методе осциллографа меньше, чем наклон линии регулировки в методе мультиметров. Однако любопытно отметить, что в любом исследовании наклоны линий регулировки, определяемые с использованием мультиметров, всегда больше наклонов линий регулировки, определяемых методом осциллографа.
За направление вектора магнитной индукции В принимается направление положительной нормали к рамке, которое связано с током в рамке правилом правого винта, при механическом моменте, равном нулю.
Точно так же, как изображали линии напряженности электрического поля, изображают линии индукции магнитного поля. Линия индукции магнитного поля - воображаемая линия, касательная к которой совпадает с направлением В в точке.
Это будет обсуждаться в конце индивидуального исследования каждой зависимости. Что касается зависимости разности потенциалов на выводах испытательной катушки с интенсивностью тока, протекающей через соленоид, то точно такая же техника была применена до сих пор. Вначале регистрировались экспериментальные условия, в которых эта зависимость изучалась. Эти данные можно найти в первой половине таблицы 7.
Опять же, как и было предсказано, поведение экспериментальных точек явно прямолинейно. Важно также отметить, что для всех исследований можно ожидать, что ордината в начале координат равна 0, что происходит с учетом неопределенности в определении. Это же исследование было также проведено с помощью мультиметров, и были сделаны те же выводы, что и в предыдущих случаях.
Направления магнитного поля в данной точке можно определить еще как направление, которое указывает
северный полюс стрелки компаса, помещенный в эту точку. Считают, что линии индукции магнитного поля направлены от северного полюса к южному.
Направление линий магнитной индукции магнитного поля, созданного электрическим током, который течет по прямолинейному проводнику, определяется правилом буравчика или правого винта. За направление линий магнитной индукции принимается направление вращения головки винта, которое обеспечивало бы поступательное его движение по направлению электрического тока (рис. 59).
Наконец, были записаны значения переменных, которые должны были оставаться постоянными во время изучения этой зависимости. Эти количества были записаны в первых двух колонках таблицы 9. Затем была использована небольшая катушка, в которой можно было изменять угол ее оси относительно оси соленоида. Таким образом, были записаны последовательные значения реальной разности потенциалов, а также указанный выше угол. Эта запись может быть найдена во второй половине таблицы 9. В этом эксперименте мы стремились максимизировать количество экспериментальных точек, чтобы получить лучшие статистические результаты.
где n 01 = 4Пи 10 -7 В с/(А м). - магнитная постоянная, R - расстояние, I - сила тока в проводнике.
В отличие от линий напряженности электростатического поля, которые начинаются на положительном заряде и оканчиваются на отрицательном, линии индукции магнитного поля всегда замкнуты. Магнитного заряда аналогично электрическому заряду не обнаружено.
Уравнение показывает, что разность потенциалов изменяется линейно с косинусом упомянутого угла. Следует отметить, что аналогично тому, что было ранее, то же исследование было проведено с учетом показаний, сделанных в мультиметрах. Расчет магнитной проницаемости.
Экспериментальная установка не позволяет изменять последнюю величину. Для этого потребовалось бы пять соленоидов разных характеристик - с разным количеством витков на метр, чтобы эта зависимость могла быть изучена. Таким образом, можно вычислить значение магнитной проницаемости вакуума и сравнить два используемых метода.
За единицу индукции принимается одна тесла (1 Тл) - индукция такого однородного магнитного поля, в котором на рамку площадью 1 м 2 , по которой течет ток в 1 А, действует максимальный вращающий механический момент сил, равный 1 Н м.
Индукцию магнитного поля можно определить и по силе, действующей на проводник с током в магнитном поле.
На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера, величина которой определяется следующим выражением:
где I - сила тока в проводнике, l - длина проводника, В - модуль вектора магнитной индукции, а - угол между вектором и направлением тока.
Направление силы Ампера можно определить по правилу левой руки: ладонь левой руки располагаем так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре пальца располагаем по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец показывает направление силы Ампера.
Учитывая, что I = q 0 nSv, и подставляя это выражение в (3.21), получим F = q 0 nSh/B sin a . Число частиц (N) в заданном объеме проводника равно N = nSl, тогда F = q 0 NvB sin a .
Определим силу, действующую со стороны магнитного поля на отдельную заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле:
Эту силу называют силой Лоренца (1853-1928). Направление силы Лоренца можно определить по правилу левой руки: ладонь левой руки располагаем так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре пальца показывали направление движения положительного заряда, большой отогнутый палец покажет направление силы Лоренца.
Сила взаимодействия между двумя параллельными проводниками, по которым текут токи I 1 и I 2 равна:
где l - часть проводника, находящаяся в магнитном поле. Если токи одного направления, то проводники притягиваются (рис. 60), если противоположного направления - отталкиваются. Силы, действующие на каждый проводник, равны по модулю, противоположны по направлению. Формула (3.22) является основной для определения единицы силы тока 1 ампер (1 А).
Магнитные свойства вещества характеризует скалярная физическая величина - магнитная проницаемость, показывающая во сколько раз индукция В магнитного поля в веществе, полностью заполняющем поле, отличается по модулю от индукции В 0 магнитного поля в вакууме:
По своим магнитным свойствам все вещества делятся на диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные .
Рассмотрим природу магнитных свойств веществ.
Электроны в оболочке атомов вещества движутся по различным орбитам. Для упрощения считаем эти орбиты круговыми, и каждый электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, можно рассматривать как круговой электрический ток. Каждый электрон, как круговой ток, создает магнитное поле, которое назовем орбитальным. Кроме того, у электрона в атоме есть собственное магнитное поле, называемое спиновым.
Если при внесении во внешнее магнитное поле с индукцией В 0 внутри вещества создается индукция В < В 0 , то такие вещества называются диамагнитными (n < 1).
В диамагнитных материалах при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные поля электронов скомпенсированы, и при внесении их в магнитное поле индукция магнитного поля атома становится направленной против внешнего поля. Диамагнетик выталкивается из внешнего магнитного поля.
У парамагнитных материалов магнитная индукция электронов в атомах полностью не скомпенсирована, и атом в целом оказывается подобен маленькому постоянному магниту. Обычно в веществе все эти маленькие магниты ориентированы произвольно, и суммарная магнитная индукция всех их полей равна нулю. Если поместить парамагнетик во внешнее магнитное поле, то все маленькие магниты - атомы повернутся во внешнем магнитном поле подобно стрелкам компаса и магнитное поле в веществе усиливается (n >= 1).
Ферромагнитными называются такие материалы, в которых n " 1. В ферромагнитных материалах создаются так называемые домены, макроскопические области самопроизвольного намагничивания.
В разных доменах индукции магнитных полей имеют различные направления (рис. 61) и в большом кристалле
взаимно компенсируют друг друга. При внесении ферромагнитного образца во внешнее магнитное поле происходит смещение границ отдельных доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается.
С увеличением индукции внешнего поля В 0 возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. При некоторых значениях В 0 индукция прекращает резкий рост. Это явление называется магнитным насыщением.
Характерная особенность ферромагнитных материалов - явление гистерезиса, которое заключается в неоднозначной зависимости индукции в материале от индукции внешнего магнитного поля при его изменении.
Петля магнитного гистерезиса - замкнутая кривая (cdc`d`c), выражающая зависимость индукции в материале от амплитуды индукции внешнего поля при периодическом достаточно медленном изменении последнего (рис. 62).
Петля гистерезиса характеризуется следующими величинами B s , B r , B c . B s - максимальное значение индукции материала при В 0s ; В r - остаточная индукция, равная значению индукции в материале при уменьшении индукции внешнего магнитного поля от B 0s до нуля; -В с и В с - коэрцитивная сила - величина, равная индукции внешнего магнитного поля, необходимого для изменения индукции в материале от остаточной до нуля.
Для каждого ферромагнетика существует такая температура (точка Кюри (Ж. Кюри, 1859-1906), выше которой ферромагнетик утрачивает свои ферромагнитные свойства.
Существует два способа приведения намагниченного ферромагнетика в размагниченное состояние: а) нагреть выше точки Кюри и охладить; б) намагничивать материал переменным магнитным полем с медленно убывающей амплитудой.
Ферромагнетики, обладающие малой остаточной индукцией и коэрцитивной силой, называются магнитомягкими. Они находят применение в устройствах, где ферромагнетику приходится часто перемагничиваться (сердечники трансформаторов, генераторов и др.).
Магнитожесткие ферромагнетики, обладающие большой коэрцитивной силой, применяются для изготовления постоянных магнитов.
Закон Ампера устанавливает, что на проводник с током, помещенный в однородное магнитное поле, индукция которого В, действует сила, пропорциональная силе тока и индукции магнитного поля:
F = BIl sina (a - угол между направлением тока и индукцией магнитного поля). Эта формула закона Ампера оказывается справедливой для прямолинейного проводника и однородного поля.
Если проводник имеет произвольную формулу и поле неоднородно, тоЗакон Ампера принимает вид:
dF = I*B*dlsina
Закон Ампера в векторной форме :
Сила Ампера направлена перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы dl и B.
Для определения направления силы, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле, применяется правило левой руки .
Магни ́ тное по ́ ле - силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающиемагнитным моментом , независимо от состояния их движения , магнитная составляющаяэлектромагнитного поля
Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов ватомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени) (постоянные магниты ).
Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времениэлектрического поля .
Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля) . С математической точки зрения - векторное поле , определяющее и конкретизирующее физическое понятие магнитного поля. Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина).
Ещё одной фундаментальной характеристикой магнитного поля (альтернативной магнитной индукции и тесно с ней взаимосвязанной, практически равной ей по физическому значению) является векторный потенциал .
Магнитное поле можно назвать особым видом материи , посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающимимагнитным моментом .
Магнитные поля являются необходимым (в контексте специальной теории относительности ) следствием существования электрических полей.
Вместе, магнитное и электрическое поля образуютэлектромагнитное поле , проявлениями которого являются, в частности, свет и все другие электромагнитные волны .
Электрический ток (I), проходя по проводнику, создаёт магнитное поле (B) вокруг проводника.
С точки зрения квантовой теории поля магнитное взаимодействие - как частный случайэлектромагнитного взаимодействия переносится фундаментальным безмассовымбозоном - фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля), часто (например, во всех случаях статических полей) - виртуальным.
[убрать ]
1 Источники магнитного поля 2 Вычисление 3 Проявление магнитного поля 4 Математическое представление 5 Энергия магнитного поля 6 Магнитные свойства веществ 7 Токи Фуко 8 История развития представлений о магнитном поле 9 См. также 10 Примечания |
Для количественного описания магнитного поля можно воспользоваться контуром с током. Так как контур с током испытывает ориентирующее действие поля, то на него в магнитном поле действует пара сил, которая создает момент сил относительно некоторой неподвижной оси. Вращающий момент сил зависит как от свойств поля в данной точке, так и от свойств контура. Для плоского контура с током I величина, равная произведению силы тока I на площадь S , ограниченную контуром, называется магнитным моментом контура p m .
Магнитный момент - векторная величина. Его направление совпадает с направлением положительной нормали к контуру.
\(~\vec p_m = IS \vec n,\)
где \(~\vec n\) - единичный вектор нормали к плоскости контура.
Опыт показывает, что вращающий момент зависит от расположения контура в магнитном поле. Вращающий момент равен О, если магнитное поле перпендикулярно плоскости контура (рис. 2, а), и максимален, если нормаль к контуру перпендикулярна магнитному полю (рис. 2, б).
Максимальный вращающий момент, как показывает опыт, пропорционален силе тока I и площади контура рамки с током, т.е.
\(~M_{max} \sim IS .\)
Если в данную точку магнитного поля помещать контуры с разными магнитными моментами, то на них будут действовать различные вращающие моменты, однако отношение \(~\frac{M_{max}}{p_m}\) для всех контуров одно и то же и поэтому может служить характеристикой магнитного поля, называемой магнитной индукцией.
Магнитная индукция - это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, численно равная максимальному вращающему моменту, действующему на контур с единичным магнитным моментом, и направленная вдоль положительной нормали к контуру.
Модуль магнитной индукции равен
\(~B = \frac{M_{max}}{IS} = \frac{M_{max}}{p_m}.\)
Единицей магнитной индукции в СИ является тесла (Тл).
1 Тл = Н·м/(А·м 2) = Н/(А·м) .
1 Тл - магнитная индукция такого однородного поля, в котором на контур с магнитным моментом 1 А·м 2 действует вращающий момент 1 Н·м.
Магнитная индукция \(~\vec B\) полностью характеризует магнитное поле. В каждой точке может быть найден ее модуль и направление.
Поле, в каждой точке которого модуль и направление магнитной индукции одинаковы (\(~\vec B = \operatorname{const}\)) , называется однородным магнитным полем .
Если магнитное поле образовано системой n проводников с токами, то, имеет место принцип суперпозиции магнитных полей : магнитная индукция поля системы токов равна геометрической сумме магнитных индукцией полей каждого из токов в отдельности:
\(~\vec B = \vec B_1 + \vec B_2 + \ldots + \vec B_n = \sum_{i=1}^n \vec B_i .\)
Литература
Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C. 316-317.
- Приказ минстроя и жкх. Подписка на документы. Министерство строительства и жилищно-коммунального хозяйства российской федерации
- Сообщение о рептилии крокодил
- Налоговая ставка налога на имущество
- СтавАналит. Контактная информация. Ндфл с дивидендов. примеры исчисления и отражение в отчетности Входят ли дивиденды в 2 ндфл