Магнитное поле

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

ОПЫТ ЭРСТЕДА: 1820 год – магнитная стрелка, расположенная около проводника с током поворачивается и устанавливается перпендикулярно проводнику.

Вывод: магнитная стрелка может вращаться только в магнитном поле, значит, вокруг проводника с током возникает магнитное поле.

ОПЫТ АМПЕРА: если по двум параллельным проводникам ток протекает в одном направлении,

  то проводники притягиваются. Если по двум параллельным

  проводникам токи протекают в разных направлениях, то

  I1  I2  I1  I2  проводники отталкиваются.

  Вывод:  вокруг проводника с током возникает магнитное 

  поле; магнитное поле первого проводника действует на 

  второй проводник, а магнитное поле второго проводника 

  действует на первый. 

Таким образом, магнитное поле  - это особая форма материи. Оно возникает вокруг движущихся зарядов (проводников с током) и действует на них.

Магнитное поле можно обнаружить по действию его на движущиеся заряды (проводники с током), и на магнитную стрелку.

Магнитная индукция – это физическая величина, которая является силовой характеристикой магнитного поля (В, Тесла).

Магнитная индукция показывает величину силы, с которой магнитное поле действует на проводник длины L, по которому течет ток I.

  1 Тесла – это магнитная индукция такого магнитного поля, которое

  действует с силой 1Н на проводник длиной 1м при силе тока

  в проводнике 1А. [В] = [] = [Тл]

Магнитная индукция – величина векторная. Вектор магнитной индукции всегда направлен от южного полюса  S магнитной стрелки к северному  N.

  N  S  B

У проводника с током направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика или  по правилу правой руки.

ПРАВИЛО БУРАВЧИКА:  I

Если сам буравчик движется по направлению тока  B

в проводнике, то направление вращения ручки буравчика

покажет направление вектора магнитной индукции.

Правило правой руки: если правой рукой обхватить проводник с током так, чтобы отогнутый большой палец руки совпадал с направлением тока в проводнике, то 4 других пальца руки покажут направление магнитных линий.

Графически магнитное поле можно изобразить графически с помощью линий магнитной индукции.

Линии магнитной индукции – это силовые линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор магнитной индукции.

  N  S  I  I

  Ток ┴ к нам  ток ┴ от нас 

Линии магнитной индукции можно сделать видимыми. Если воспользоваться металлическими опилками. Металлические опилки в магнитном поле намагничиваются и играют роль магнитных стрелок, которые устанавливаются вдоль линий магнитной индукции. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, у них нет ни начала, ин конца.

Поля, силовые линии которых замкнуты, называются вихревыми. Работа таких полей по замкнутому контуру не равна нулю.

Магнитное поле – это вихревое поле, так как его силовые линии замкнутые.  l

Если в какой-то точке пространства, в которой надо определить магнитную индукцию, оказывает действие не одно магнитное поле, а несколько, индукции которых В1, В2, …Вn, то магнитная индукция в этой точке равна векторной сумме: 

Для задач:  N  + 

полюса у катушки с током определяются так:

северным полюсом катушки будет тот конец,

на который должен смотреть наблюдатель, чтобы

ток в витках протекал против часовой стрелки.

Линии магнитной индукции всегда выходят из

северного полюса, а входят в южный.  _

  S 

Магнитный поток – это множество линий магнитной индукции (Ф, Вебер)

S – площадь поверхности (м2)    B

n – нормаль (перпендикуляр к поверхности)  б 

б – угол между B и n. 

[Ф] = [Тлм2] = [] = [] = [Вебер, Вб]  S 

Сила Ампера – это сила, действующая на проводник с током, помещенный в магнитное поле (FA, H)/

Сила Ампера зависит:

От силы тока в проводнике (I, А), От длины участка проводника, находящегося в магнитном поле (L, м), От угла между силой тока и магнитной индукцией (б) От величины магнитной индукции (В, Тл)

Направление сила Ампера находится по правилу левой руки:

Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре пальца руки показывали направление силы тока в проводнике, то отогнутый на 900 большой палец покажет направление силы Ампера.

  - линии магнитной индукции расположены  FA  FA 

  ┴ плоскости листа (к нам)  I 

  - линии магнитной индукции расположены  I 

  ┴ плоскости листа (от нас) 

Применение силы Ампера:

В электроизмерительных приборах (амперметрах, вольтметрах). В электродвигателях (вращение ротора): пылесосы, холодильники, стиральные машины. На транспорте (электрички, троллейбусы, трамваи). В промышленности (станки). В громкоговорителях (динамики).

Сила Лоренца – это сила, действующая на заряженную частицу в магнитном поле. (F L, Н)

Сила Лоренца зависит:

от скорости движения частицы (х, м/с); от величины магнитной индукции (В, Тл); от величины заряда частицы (q, Кл); от угла между скоростью и магнитной индукцией (б).

Направление силы Лоренца находится по правилу левой руки (см. выше); только вместо направления силы берется направление скорости положительно заряженной частицы.

  Для «-» заряженной частицы

+  _  направление силы Лоренца надо

  q  х  х  q  х  х  сменить на противоположное

  FL  B  FL

Для задач:

Под действием силы Лоренца заряженная частица в магнитном поле движется по окружности, если она влетает в поле под углом 900 к магнитной индукции.

FL = |q|Bх, т. к. б=900, то =1;=> FL = |q0|Bх (1) Эта сила сообщает частице центростремительное ускорение а, тогда по II закону Ньютона: FL = ma; a = => FL  = (2) Приравнивая (1) и (2) получим |q0|Bх =  ;  |q0|BR = mх  Из этой формулы можно выразить любую величину (R, B, х), а масса и заряд (в таблице)

Если заряженная частица влетает в магнитное поле под углом б‹900, то она будет двигаться по винтовой линии.

h – шаг витка  у 

R – радиус витков  х 

хx – проекция скорости на ОХ  хy 

хy – проекция скорости на ОY  б  х 

хY = х;  хx = х   хx 

хY = ;  h = хx T  -  чтобы найти период Т =   FL  h 

Применение силы Лоренца:

в электронно-лучевой трубке (кинескопе); в вакуумной кольцевой камере (установка ТОКАМАК); в МГД – генераторах для преобразования кинетической энергии плазменной струи в электрическую.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

Явление:  в замкнутом контуре возникает индукционный электрический ток при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего этот  контур.

Опыт Фарадея: в катушку, соединённую с гальванометром вдвигают и выдвигают магнит; стрелка гальванометра отклоняется.

Если магнит вращают в катушке, то тока нет (стрелка не отклоняется).

Закон: ЭДС индукции равна по модулю скорости изменения магнитного потока;

∆Ф – изменение магнитного потока (Вб),

– скорость изменения магнитного потока (Вб/с).

ЭДС индукции в движущемся проводнике:

Так как заряженные частицы движутся вместе с проводником, то со стороны магнитного поля на них действует сила Лоренца и смещает электроны в проводнике в одну сторону,

образуется разность потенциалов (ЭДС).

  e 

  электроны смещаются вверх

  по правилу левой руки  e 

  l  х 

  e 

  B

Правило Ленца:

Индукционный ток всегда имеет такое направление, что своим магнитным полем препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего его.

  S  S  N  N 

  х  х  х  х 

  N  N  S  S 

  N  +  S  -  S  -  N  +

  S  -  N  +  N  +  S  - 

Если магнит подносят к катушке, то она отталкивается, а при удалении магнита от катушки она притягивается к нему.

Применение электромагнитной индукции:

в трансформаторах, в индукционных плавильных печах, в индукционных генераторах переменного тока, в индукционных насосах, в счетчиках электроэнергии, в электродинамических микрофонах.

Самоиндукция – это явление возникновения ЭДС индукции в проводнике при изменении в нем силы тока.

Применение самоиндукции:  №1 

Лампа №2 начинает светиться раньше лампы №1, 

так как при нарастании тока в катушке, возникает 

индукционное электрическое поле, которое по

правилу Ленца противодействует нарастанию тока.  №2 

       

  6В 

Так как напряжение источника мало, то при

замыкании цепи лампа не светит, а при

размыкании цепи лампа ярко вспыхивает, так

как в цепи лампы возникает ЭДС самоиндукции.

  220 В 

Закон самоиндукции: ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока в цепи.

L – индуктивность (Гн),

∆I – изменение силы тока (А),

– скорость изменения силы тока (А/с).

Индуктивность зависит:

о размеров и формы проводника ( индуктивность прямого провода всегда меньше провода, свернутого в катушку при одинаковой длине); от среды, в которой находится проводник с током (индуктивность катушки с сердечником больше, чем без него);

Генри = [Гн] = []

Энергия магнитного поля тока (WM, Дж),

Магнитный вращающий момент (М, Нм);

М = BISN  Мmax = BISN  , где б – угол между В и I.