Часть II. Электричество и магнетизм (стр. 5 )

 

θ

Рис.8.5. Взаимная ориентация векторов , и в законе Био-Савара-Лапласа.

Наряду с индукцией , для характеристики магнитного поля вводят также понятие напряженности магнитного поля - величины, определяемой в вакууме как:

.

Единицей измерения индукции поля в СИ является Т (Тесла); напряженность магнитного поля измеряется в А/м.

С помощью закона Био-Савара-Лапласа напряженность магнитного поля, создаваемого элементом тока в точке , рассчитывается по формуле:

.

Или в скалярном виде:

,

где θ – угол между элементом длины тока и радиус-вектором , проведенным в точку наблюдения (рис.8.5).

Возвращаясь к закону Ампера, мы можем сказать, сила взаимодействия между двумя элементами тока есть результат действия магнитного поля одного элемента тока на другой. Другими словами, можем написать:

,

где

- напряженность магнитного поля, созданного элементом первого тока в том месте, где находится элемент второго тока.

Следовательно, на любой элемент проводника с током, находящегося в магнитном поле с индукцией , действует сила:

.

Эта формула является аналогом соответствующей формулы в электростатике

,

определяющей силу, действующую на точечный заряд q, помещенный в электрическое поле напряженностью .

Полная сила, действующая на проводник с током, находящийся в магнитном поле, определяется по формуле:

,

где интегрирование производится по всей длине проводника.

В частности, для прямолинейного отрезка проводника с током длиной l, расположенного под углом θ к силовым линиям однородного магнитного поля с индукцией В, имеем:

Эту формулу часто называют силой Ампера.

3.3. Примеры вычисления магнитных полей с помощью закона Био-Савара-Лапласа.

1) Напряженность магнитного поля в центре кругового витка с током.

В данном случае имеем, согласно закону Био-Савара-Лапласа (рис.8.6):

,

откуда находим после интегрирования по всей длине витка – окружности радиуса R:

.

.

Рис.8.6. Магнитное поле в центре кругового витка с током.

2) Отрезок проводника с током конечной длины и бесконечно длинный проводник с током

В этом случае имеем (рис.8.7):

Рис.8.7. Магнитное поле прямолинейного проводника с током.

,

где

, , ,

тогда

.

Интегрируя это выражение в пределах от – x1 до x2 , находим:

где .

Переходя в этой формуле к пределу при и , получим формулу для расчета напряженности магнитного поля прямолинейного проводника с током бесконечной длины:

.

3) Магнитное поле движущегося заряда.

Любой проводник с током создает в окружающем пространстве магнитное поле. Но ток в проводнике – есть направленное движение зарядов. Следовательно, можно допустить, что источником магнитного поля являются движущиеся заряды. Тогда магнитное поле, созданное проводником с током в некоторой точке пространства, будет представлять собой суперпозицию магнитных полей, созданных в этой же точке пространства каждым из движущихся зарядов в отдельности.

Пусть – скорость упорядоченного движения зарядов в проводнике; q – заряд носителя тока (в металлах q = - e). Для элемента тока можем написать:

dNq,

где n = dN/dV – концентрация зарядов, dN – число зарядов в элементе объема dV = Sdl.

На основании закона Био-Савара-Лапласа, напряженность магнитного поля, созданного одним движущимся зарядом, будет:

или в векторном виде

.

Эта формула отражает релятивистскую (относительную) сущность магнитного поля. Она показывает, что магнитное поле проявляется как результат относительного движения заряда. Отметим, что приведенная формула справедлива при скоростях движения заряда (с=3∙108 м/с – скорость света в вакууме).

Лекция 9

Контур с током в магнитном поле.

3.4. Магнитный момент тока.

Мо многих случаях приходится иметь дело с замкнутыми токами, размеры которых малы по сравнению с расстоянием от них до точки наблюдения. Такие токи будем называть элементарными. Пример подобных токов мы имеем во всех атомах – это движущиеся по замкнутым орбитам электроны. Эти токи, вследствие малости атомных размеров можно считать элементарными.

Рассмотрим плоский круговой виток с током радиуса R (рис.9.1). Характеристиками витка являются: сила тока I, текущего по витку, площадь S, обтекаемая током и ориентация витка в пространстве, определяемая направлением единичного вектора нормали к плоскости витка. Совокупность всех этих трех характеристик образует магнитный момент витка с током, который по определению равен:

I

Рис.9.1. Круговой виток с током.

В теории магнетизма магнитный момент кругового витка с током играет такую же важную роль, как и электрический дипольный момент в теории электричества.

3.5. Магнитное поле на оси кругового витка с током.

Согласно закону Био-Савара-Лапласа, индукция магнитного поля, создаваемого элементом тока dl на расстоянии r от него есть

,

где α – угол между элементом тока и радиус-вектором , проведенным из этого элемента в точку наблюдения; r - расстояние от элемента тока до точки наблюдения.

В нашем случае α = π/2, sinα = 1; , где а – расстояние, отсчитываемое от центра витка до рассматриваемой точки на оси витка. Векторы образуют в этой точке конус с углом раствора при вершине 2 = π - 2β, где β – угол между отрезками а и r.

Из соображений симметрии ясно, что результирующее магнитное поле на оси витка будет направлено вдоль этой оси, то есть вклад в него дают только те составляющие, которые параллельны оси витка:

.

Результирующую величину индукции магнитного поля B на оси витка получим, проинтегрировав это выражение по длине контура от 0 до 2πR:

или, подставив значение r:

.

В частности, при а = 0 находим индукцию магнитного поля в центре кругового витка с током:

Этой формуле можно придать другой вид, воспользовавшись определением магнитного момента витка с током:

.

Последнюю формулу можно записать в векторном виде (см. рис.9.1):

.

3.6. Момент сил, действующих на контур с током в магнитном поле.

Поместим в однородное магнитное поле с индукцией плоский прямоугольный контур (рамку) с током (рис.9.2).

Рис.9.2. Рамка с током в магнитном поле.

Согласно закону Ампера, на каждый элемент тока рамки действует сила

.

Результирующая всех этих сил, как нетрудно убедиться, создает пару сил и , стремящихся развернуть плоскость рамки перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Если a – короткая сторона рамки, то величина действующей на нее силы будет . Момент пары сил по величине равен:

,

где b – длинная сторона рамки ( - плечо силы F, α – угол между нормалью к плоскости рамки и силовой линией магнитного поля).

Следовательно, можем написать:

,

где S = ab – площадь рамки.

Учитывая, что магнитный момент рамки , последнюю формулу можно переписать в векторном виде:

3.7. Энергия контура с током в магнитном поле.

Контур с током, помещенный в магнитное поле, обладает запасом энергии. Действительно, чтобы повернуть контур с током на некоторый угол в направлении, обратном направлению его поворота в магнитном поле, необходимо совершить работу против сил, действующих на этот контур со стороны поля. По величине эта работа равна

.

Совершенная над контуром работа идет на увеличение его энергии. Поворачиваясь в первоначальное положение, контур возвратит затраченную на его поворот работу, совершив ее над какими-либо телами. Следовательно, запасенная контуром энергия есть:

.

(при выводе этой формулы мы приняли, что при энергия контура W, определенная с точностью до произвольной постоянной, равна нулю).

Полученную формулу можно написать также в виде:

Устойчивое равновесие

Неустойчивое равновесие

Рис.9.3. Положения равновесия контура с током в магнитном поле.

Из приведенной формулы видно, что устойчивому положению равновесия контура с током в магнитном поле (рис.9.3) соответствует ориентация, при которой векторы и параллельны (α = 0); в этом случае энергия контура минимальна и равна . Неустойчивому положению равновесия соответствует ориентация, при которой векторы и антипараллельны (α = π); в этом случае энергия контура максимальна и равна .

3.8. Контур с током в неоднородном магнитном поле.

Если контур с током находится в неоднородном магнитном поле (рис.9.4), то на него, помимо вращающего момента , действует также сила , обусловленная наличием градиента магнитного поля. Проекция этой силы на направление касательной к силовой лини поля в данной точке определяется по формуле:

.

Рис.9.4. Контур с током в неоднородном магнитном поле.

Согласно написанной формуле, сила, действующая на контур в неоднородном магнитном поле, зависит от взаимной ориентации векторов и . Если эти векторы параллельны, то сила положительна и контур будет втягиваться в область более сильного поля; если векторы и антипараллельны, то сила отрицательна и контур будет выталкиваться из поля (рис.9.4)

3.9. Работа, совершаемая при перемещении контура с током в магнитном поле.

Рассмотрим отрезок проводника с током, способный свободно перемещаться по двум направляющим во внешнем магнитном поле (рис.9.5). Магнитное поле будем считать однородным и направленным под углом α по отношению к нормали к плоскости переме-щения проводника.

Рис.9.5. Отрезок проводника с током в однородном магнитном поле.

Как видно из рис.9.5, вектор имеет две составляющие и , из которых только составляющая создает силу, действующую в плоскости перемещения проводника. По абсолютной величине эта сила равна:

,

где I – сила тока в проводнике; l – длина проводника; B – индукция магнитного поля.

Работа этой силы на элементарном пути перемещения ds есть:

.

Произведение lds равно площади dS, заметанной проводником при движении, а величина BdScosα равна потоку магнитной индукции dФ через эту площадь. Следовательно, можем написать:

dA=IdФ.

Рассматривая отрезок проводника с током как часть замкнутого контура и интегрируя это соотношение, найдем работу при перемещении контура с током в магнитном поле:

A = I(Ф2 – Ф1)

где Ф1 и Ф2 обозначают поток индукции магнитного поля через площадь контура соответственно в начальном и конечном положениях.

Лекция 10

Основные уравнения магнитостатики в вакууме.

3.10. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Гаусса в магнитостатике. Вихревой характер магнитного поля.

Потоком вектора через какую-либо поверхность S называется интеграл:

,

где - проекция вектора на нормаль к поверхности S в данной точке (рис.10.1).

Рис.10.1. К определению потока вектора магнитной индукции.

Прежде чем сформулировать теорему Гаусса в магнитостатике, вспомним, что в электростатике аналогичная теорема формулировалась как:

,

где интеграл берется по замкнутой поверхности S, окружающей электрические заряды (qs – алгебраическая сумма зарядов, заключенных под этой поверхностью); - вектор электрической индукции ( в вакууме).

Казалось бы, что в полной аналогии с электростатикой мы могли бы написать:

,

подразумевая под алгебраическую сумму неких «магнитных зарядов», охваченных замкнутой поверхностью S, и являющихся источниками магнитных полей с результирующей индукцией (в вакууме).

Но, как оказалось, в природе нет магнитных зарядов, подобных электрическим, а источниками магнитных полей являются движущиеся заряды, то есть электрические токи. Следует, однако, заметить, что законы классической электродинамики допускают существование частиц с одним магнитным полюсом – магнитных монополей. В квантовой механике магнитный монополь – это стабильная частица, несущая положительный или отрицательный магнитный заряд, величина которого значительно превосходит величину элементарного электрического заряда. Впервые гипотезу о существовании магнитного монополя высказал в 1931г. один из основателей квантовой механики Поль Дирак (Dirac P., ), поэтому эту частицу называют также монополем Дирака. Тщательные поиски монополя Дирака не увенчались успехом, поэтому вопрос о их существовании остается пока открытым.

Полагая, таким образом, что, приходим к следующей формулировке теоремы Гаусса в магнитостатике:

.

Равенство нулю потока магнитной индукции через произвольную замкнутую поверхность означает, что силовые линии магнитного поля нигде не обрываются и, следовательно, являются замкнутыми (рис.10.2).

Рис.10.2. К формулировке теоремы Гаусса в магнитостатике.

Поля, силовые линии которых замкнуты, называются вихревыми или соленоидальными.

3.11. Теорема о циркуляции магнитного поля. Магнитное напряжение.

Циркуляцией магнитного поля вдоль замкнутого контура l называется интеграл:

,

где - проекция вектора на направление касательной к линии контура в данной точке.

Соответствующий интеграл для электрического поля в электростатике, как мы знаем, равен нулю, что отражает свойство потенциальности электростатического поля:

.

Магнитное поле не является потенциальным, оно, как было показано выше, является соленоидальным. Поэтому следует ожидать, что циркуляция магнитного поля вдоль замкнутого контура в общем случае отлична от нуля. Чтобы найти ее величину, выполним сначала некоторые вспомогательные действия.

Как известно, интеграл, взятый между двумя любыми точками 1 и 2 в электрическом поле, есть электрическое напряжение между этими точками:

.

По аналогии мы можем ввести понятие «магнитного напряжения», определив его как:

.

Вычислим магнитное напряжение между двумя точками 1 и 2, взятыми на силовой линии магнитного поля прямолинейного проводника с током (рис.10.3).

Рис.10.3. К вычислению магнитного напряжения проводника с током.

Напряженность магнитного поля на расстоянии r от оси проводника определяется по формуле:

.

Тогда:

,

где - длина дуги окружности, вдоль которой производится интегрирование.

При обходе по всей силовой линии (окружности) угол и, следовательно:

.

Мы видим, что при обходе по замкнутому контуру, охватывающему проводник с током, циркуляция магнитного поля оказывается отличной от нуля и численно равной силе тока, текущего в проводнике; также она не зависит от формы и размеров выбранного контура.

Если контур, охватывающий проводник, не является плоским, то при перемещении вдоль контура радиальный отрезок, соединяющий проводник с текущей точкой контура, будет не только поворачиваться вокруг проводника, но и перемещаться вдоль него. Однако суммарный угол поворота проекции этого отрезка на плоскость, перпендикулярную току, все равно будет равен 2π, то есть результат останется тем же.

В том случае, когда контур не охватывает проводник с током, радиальный отрезок при обходе контура будет поворачиваться сначала в одну сторону, а потом в другую. При этом суммарный угол поворота (с учетом знака направления обхода) будет равен нулю.

В общем случае, если контур охватывает несколько проводников с током (рис.10.4),

Рис.10.4. К формулировке теоремы о циркуляции магнитного поля.

то обобщением полученного результата будет написание выражения, составляющего содержание теоремы о циркуляции магнитного поля:

,

где в правой части стоит алгебраическая сумма всех токов, охваченных данным контуром, причем ток считается положительным, если его направление связано с направлением обхода контура правилом правого винта и отрицательным, если ток имеет противоположное направление.

3.12. Магнитное поле соленоида и тороида.

Применим полученные результаты для нахождения напряженности магнитного поля на оси прямого длинного соленоида и тороида.

1) Магнитное поле на оси прямого длинного соленоида.

Соленоид представляет собой катушку, намотанную на цилиндрический каркас. Если длина соленоида много больше его диаметра, то такой соленоид называют длинным (в отличие от короткой катушки с противоположным соотношением размеров). Магнитное поле максимально внутри соленоида и направлено вдоль его оси. Вблизи оси соленоида магнитное поле можно считать однородным.

Для нахождения напряженности магнитного поля на оси прямого длинного соленоида с помощью теоремы о циркуляции магнитного поля, выберем контур интегрирования, как показано на рис.10.5.

Рис.10.5. К расчету напряженности магнитного поля на оси соленоида.

На участке 1-2 направление магнитного поля совпадает с направлением обхода контура, а его напряженность постоянна в силу однородности поля. На участках 2-3 и 4-1 вне соленоида проекция магнитного поля на направление обхода равна нулю. Наконец, на участке 3-4, удаленном достаточно далеко от соленоида, можно считать, что магнитное поле отсутствует.

С учетом сказанного имеем:

,

где

, , , .

Но согласно теореме о магнитном напряжении этот интеграл равен , где N – число витков соленоида, сцепленных с контуром интегрирования. Следовательно

,

откуда находим: ,

где через обозначено число витков на единицу длины соленоида.

2) Магнитное поле на оси тороида.

Тороид представляет собой катушку, намотанную на каркас, имеющий форму тора. Магнитное поле тороида целиком сосредоточено внутри него и является неоднородным. Максимальное значение напряженность магнитного поля имеет на оси тороида.

Рис.10.6. К расчету напряженности магнитного поля на оси тороида.

Для нахождения напряженности магнитного поля вблизи оси тороида применим теорему о циркуляции магнитного поля, выбрав контур интегрирования, как показано на рис.10.6.

Имеем:

.

С другой стороны, этот интеграл равен , откуда следует, что

.

[*]) Система называется электрически изолированной, если через ограничивающую ее поверхность невозможен перенос зарядов, т. е. протекание электрического тока.