Мы не можем увидеть магнитное поле, однако для лучшего понимания магнитных явлений важно научиться его изображать. В этом помогут магнитные стрелки. Каждая такая стрелка — это маленький постоянный магнит, который легко поворачивается в горизонтальной плоскости (рис. 2.1). О том, как графически изображают магнитное поле и какая физическая величина его характеризует, вы узнаете из этого параграфа.
Рис. 2.2. В магнитном поле магнитные стрелки ориентируются определенным образом: северный полюс стрелки указывает направление вектора индукции магнитного поля в данной точке
Изучаем силовую характеристику магнитного поля
Если заряженная частица движется в магнитном поле, то поле будет действовать на частицу с некоторой силой. Значение этой силы зависит от заряда частицы, направления и значения скорости ее движения, а также от того, насколько сильным является поле.
Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция.
Магнитная индукция (индукция магнитного поля) — это векторная физическая величина, характеризующая силовое действие магнитного поля.
Магнитную индукцию обозначают символом B.
Единица магнитной индукции в СИ — тесла; названа в честь сербского физика Николы Теслы (1856-1943):
За направление вектора магнитной индукции в данной точке магнитного поля принято направление, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки, установленной в этой точке (рис. 2.2).
Обратите внимание! Направление силы, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы или на проводник с током, или на магнитную стрелку, не совпадает с направлением вектора магнитной индукции.
Магнитные линии:
Рис. 2.3. Линии магнитного поля полосового магнита
Вне магнита выходят из северного полюса магнита и входят в южный;
Всегда замкнуты (магнитное поле — это вихревое поле);
Наиболее густо расположены у полюсов магнита;
Никогда не пересекаются
Изображаем магнитное поле
На рис. 2.2 видим, как ориентируются магнитные стрелки в магнитном поле: их оси как будто образуют линии, а вектор магнитной индукции в каждой точке направлен вдоль касательной к линии, проходящей через эту точку.
С помощью магнитных линий графически изображают магнитные поля:
1) за направление линии магнитной индукции в данной точке принято направление вектора магнитной индукции;
Рис. 2.4. Цепочки железных опилок воспроизводят картину линий магнитной индукции магнитного поля подковообразного магнита
2) чем больше модуль магнитной индукции, тем ближе друг к другу чертят магнитные линии.
Рассмотрев графическое изображение магнитного поля полосового магнита, можно сделать некоторые выводы (см. на рис. 2.3).
Заметим, что данные выводы справедливы для магнитных линий любого магнита.
Какое направление имеют магнитные линии внутри полосового магнита?
Картину магнитных линий можно воспроизвести с помощью железных опилок.
Возьмем подковообразный магнит, положим на него пластинку из оргстекла и через ситечко будем насыпать на пластинку железные опилки. В магнитном поле каждый кусочек железа намагнитится и превратится в маленькую «магнитную стрелку». Импровизированные «стрелки» сориентируются вдоль магнитных линий магнитного поля магнита (рис. 2.4).
Изобразите картину магнитных линий магнитного поля подковообразного магнита.
Узнаём об однородном магнитном поле
Магнитное поле в некоторой части пространства называют однородным, если в каждой его точке векторы магнитной индукции одинаковы как по модулю, так и по направлению (рис. 2.5).
На участках, где магнитное поле однородно, линии магнитной индукции параллельны и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга (рис. 2.5, 2.6). Магнитные линии однородного магнитного поля, направленные к нам, принято изображать точками (рис. 2.7, а) — мы как будто видим «острия стрел», летящих к нам. Если магнитные линии направлены от нас, то их изображают крестиками — мы как будто видим «оперения стрел», летящих от нас (рис. 2.7, б).
В большинстве случаев мы имеем дело с неоднородным магнитным полем, — полем, в разных точках которого векторы магнитной индукции имеют разные значения и направления. Магнитные линии такого поля искривлены, а их плотность разная.
Рис. 2.6. Магнитное поле внутри полосового магнита (а) и между двумя магнитами, обращенными друг к другу разноименными полюсами (б), можно считать однородным
Изучаем магнитное поле Земли
Для изучения земного магнетизма Вильям Гильберт изготовил постоянный магнит в виде шара (модель Земли). Расположив на шаре компас, он заметил, что стрелка компаса ведет себя так же, как на поверхности Земли.
Эксперименты позволили ученому предположить, что Земля — это огромный магнит, а на севере нашей планеты расположен ее южный магнитный полюс. Дальнейшие исследования подтвердили гипотезу В. Гильберта.
На рис. 2.8 изображена картина линий магнитной индукции магнитного поля Земли.
рис. 2.7. Изображение линий магнитной индукции однородного магнитного поля, которые перпендикулярны плоскости рисунка и направлены к нам (а); направлены от нас (б)
Представьте, что вы идете к Северному полюсу, двигаясь точно в том направлении, на которое указывает стрелка компаса. Достигнете ли вы места назначения?
Линии магнитной индукции магнитного поля Земли не параллельны ее поверхности. Если закрепить магнитную стрелку в карданном подвесе, то есть так, чтобы она могла свободно вращаться как вокруг горизонтальной, так
Рис. 2.8. Схема расположения магнитных линий магнитного поля планеты Земля
и вокруг вертикальной осей, стрелка установится под углом к поверхности Земли (рис. 2.9).
Как будет расположена магнитная стрелка в устройстве на рис. 2.9 вблизи северного магнитного полюса Земли? вблизи южного магнитного полюса Земли?
Магнитное поле Земли издавна помогало ориентироваться путешественникам, морякам, военным и не только им. Доказано, что рыбы, морские млекопитающие и птицы во время своих миграций ориентируются по магнитному полю Земли. Так же ориентируются, ища путь домой, и некоторые животные, например кошки.
Узнаём о магнитных бурях
Исследования показали, что в любой местности магнитное поле Земли периодически, каждые сутки, изменяется. Кроме того, наблюдаются небольшие ежегодные изменения магнитного поля Земли. Случаются, однако, и резкие его изменения. Сильные возмущения магнитного поля Земли, которые охватывают всю планету и продолжаются от одного до нескольких дней, называют магнитными бурями. Здоровые люди их практически не ощущают, а вот у тех, кто имеет сердечно-сосудистые заболевания и заболевания нервной системы, магнитные бури вызывают ухудшение самочувствия.
Магнитное поле Земли — своеобразный «щит», который защищает нашу планету от летящих из космоса, в основном от Солнца («солнечный ветер»), заряженных частиц. Вблизи магнитных полюсов потоки частиц подлетают довольно близко к атмосфере Земли. При возрастании солнечной активности космические частицы попадают в верхние слои атмосферы и ионизируют молекулы газа — на Земле наблюдаются полярные сияния (рис. 2.10).
Подводим итоги
Магнитная индукция В — это векторная физическая величина, характеризующая силовое действие магнитного поля. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки. Единица магнитной индукции в СИ — тесла (Тл).
Условные направленные линии, в каждой точке которых касательная совпадает с линией, вдоль которой направлен вектор магнитной индукции, называют линиями магнитной индукции или магнитными линиями.
Линии магнитной индукции всегда замкнуты, вне магнита они выходят из северного полюса магнита и входят в южный, гуще расположены в тех областях магнитного поля, где модуль магнитной индукции больше.
Планета Земля имеет магнитное поле. Вблизи северного географического полюса Земли расположен ее южный магнитный полюс, вблизи южного географического полюса — северный магнитный полюс.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение магнитной индукции. 2. Как направлен вектор магнитной индукции? 3. Какова единица магнитной индукции в СИ? В честь кого она названа? 4. Приведите определение линий магнитной индукции. 5. Какое направление принято за направление магнитных линий? 6. От чего зависит густота магнитных линий? 7. Какое магнитное поле называют однородным? 8. Докажите, что Земля имеет магнитное поле. 9. Как расположены магнитные полюсы Земли относительно географических? 10. Что такое магнитные бури? Как они влияют на человека?
Упражнение № 2
1. На рис. 1 изображены линии магнитной индукции на некотором участке магнитного поля. Для каждого случая а-в определите: 1) какое это поле — однородное или неоднородное; 2) направление вектора магнитной индукции в точках А и В поля; 3) в какой точке — А или В — магнитная индукция поля больше.
2. Почему стальная оконная решетка может со временем намагнититься?
3. На рис. 2 изображены линии магнитного поля, созданного двумя одинаковыми постоянными магнитами, обращенными друг к другу одноименными полюсами.
1) Существует ли магнитное поле в точке А?
2) Каково направление вектора магнитной индукции в точке В? в точке С?
3) В какой точке — А, В или С — магнитная индукция поля наибольшая?
4) Каково направление векторов магнитной индукции внутри магнитов?
4. Раньше во время экспедиций на Северный полюс возникали трудности в определении направления движения, ведь вблизи полюса обычные компасы почти не работали. Как вы думаете, почему?
5. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и выясните, какое значение имеет магнитное поле для жизни на нашей планете. Что произошло бы, если бы магнитное поле Земли вдруг исчезло?
6. Существуют участки земной поверхности, где магнитная индукция магнитного поля Земли значительно больше, чем в соседних областях. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте о магнитных аномалиях подробнее.
7. Объясните, почему любое незаряженное тело всегда притягивается к телу, имеющему электрический заряд.
Это материал учебника
«Физика - 11 класс»
Электрическое поле характеризуется напряженностью электрического поля.
Напряженность электрического поля - это величина векторная.
Магнитное поле характеризуется магнитной индукцией.
Магнитная индукция - это векторная величина, она обозначается буквой .
Направление вектора магнитной индукции
За направление вектора магнитной индукци принимается направление, которое показывает северный полюс N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.
Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.
Используя рамку с током или магнитную стрелку, можно определить направление вектора магнитной индукции в любой точке поля.
В магнитном поле прямолинейного проводника с током магнитная стрелка в каждой точке устанавливается по касательной к окружности, плоскость которой перпендикулярна проводу, а центр ее лежит на оси провода.
Правило буравчика
Направление вектора магнитной индукции устанавливают с помощью правила буравчика.
Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика указывает направление вектора магнитной индукции
Линии магнитной индукции
Магнитное поле можно показать с помощью линий магнитной индукции.
Линиями магнитной индукции
называют линии, касательные к которым в любой их точке совпадают с вектором в данной точке поля. Линии вектора магнитной индукции аналогичны линиям вектора напряженности электростатического поля.
Линии магнитной индукции можно сделать видимыми, воспользовавшись железными опилками.
Магнитное поле прямолинейного проводника с током
Для пряого проводника с током линии магнитной индукции являются концентрическими окружностями, лежащими в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током. Центр окружностей находится на оси проводника. Стрелки на линиях указывают, в какую сторону направлен вектор магнитной индукции, касательный к данной линии.
Магнитное поле катушки с током (соленоида)
Если длина соленоида много больше его диаметра, то магнитное поле внутри соленоида можно считать однородным
.
Линии магнитной индукции такого поля параллельны
и находятся на равных расстояниях друг от друга.
Магнитное поле Земли
Линии магнитной индукции поля Земли подобны линиям магнитной индукции поля соленоида.
Магнитная ось Земли составляет с осью вращения Земли угол 11,5°.
Периодически магнитные полюсы меняют свою полярность.
Вихревое поле
Силовые линии электростатического поля всегда имеют источники: они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.
А линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца, они всегда замкнуты.
Поля с замкнутыми векторными линиями называют вихревыми
.
Магнитное поле - вихревое поле.
Магнитное поле не имеет источников.
Магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе не существует.
Итак , магнитное поле - это вихревое поле, в каждой его точке вектор магнитной индукции указывает магнитная стрелка, направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика
Линия, проведенная в магнитном поле так, что в любой ее точке касательная совпадает с вектором индукции ( и рис. 119, а) магнитного поля в этой точке, называется линией индукции магнитного поля. Чтобы получить картину линий индукции, надо большое число магнитных стрелок поместить в магнитное поле. Расположение стрелок и покажет форму линий индукции. В качестве таких стрелок берутся железные опилки, которые в магнитном поле намагничиваются и, взаимодействуя друг с другом, сцепляются своими концами, образуя цепочки, изображающие линии индукции. За направление линии индукции принято направление, которое показывает северный полюс магнитной стрелки в данном месте поля. Поэтому вектор индукции в данной точке поля имеет направление, совпадающее с направлением линии индукции, проведенной через эту точку.
Линии индукции прямого проводника с током представляют концентрические окружности, расположенные в плоскостях, перпендикулярных направлению тока, причем центры всех этих окружностей находятся на оси проводника (см. рис.118, б). Их направление определяется по правилу буравчика. У магнитного поля прямого тока магнитных полюсов нет. Линии индукции, магнитного поля катушки с током внутри нее параллельны (см. рис. 119, б), а вне катушки не параллельны. Катушка с током имеет два магнитных полюса. Ее полярность, а следовательно, и направление линий индукции внутри катушки, определяется по правилу обхвата ее правой рукой (рис. 119, в): если взять катушку правой рукой так, чтобы четыре пальца указывали направление тока, то расположенный вдоль катушки большой палец укажет на конец катушки, который является северным магнитным полюсом, а также покажет направление линий индукции внутри катушки. Магнитные поля катушки с током и постоянного магнита тождественны. Северный и южный полюсы существуют только парами - получить один полюс невозможно.
Как и в случае электростатического поля, через каждую точку пространства можно провести только одну линию индукции. Следовательно, эти линии нигде не пересекают друг друга. В отличие от линий напряженности электростатического поля (см. рис. 50) линии индукции магнитного поля являются замкнутыми линиями как магнитного поля тока, так и постоянного магнита (рис. 119, г). Замкнутость линий индукции указывает на то, что магнитное поле является вихревым. Они всегда охватывают тот ток или движущийся заряд, с которым связано магнитное поле. Некоторые из линий индукции замыкаются в непосредственной близости тока, другие - вдали от него, и тогда нам кажется, что они уходят обоими концами в бесконечность (см. рис. 119, б, г).
Условились линии индукции проводить так, чтобы число линий, проходящих через единицу площадки, перпендикулярной вектору индукции в данной точке, было равно величине индукции поля в этом месте. Магнитные спектры дают представление о распределении магнитной индукции по величине и направлению.
Исходя из формулы индукции, установим единицу измерения индукции магнитного поля в Международной системе единиц:
За единицу индукции магнитного поля тесла принята индукция такого однородного магнитного поля, в котором на прямолинейный проводник длиной в 1 м, с током 1 а, расположенный перпендикулярно к линиям индукции * , действует сила в 1 н (рис. 120, а). На рис. 120, б показано измерение магнитометром величины магнитного поля постоянного магнита.
* (При таком условии сила будет максимальной. )
Индукция магнитного поля Земли невелика: у экватора около 32*10 -6 тл , у полюсов - 65*10 -6 тл , в районе Курской магнитной аномалии - 190*10 -6 тл. В настоящее время в лабораториях с помощью катушек получены магнитные поля с индукцией до 15 тл .
Зависит ли величина индукции магнитного поля тока от формы проводника? Между сторонами проводника, имеющего форму, как на рис. 121, а, поместим магнитную стрелку и проводник подключим к источнику тока. Наблюдаем большое отклонение стрелки. Сделав проводник прямолинейным (рис. 121, б) и расположив под ним магнитную стрелку, пропустим по нему ток, как и в первом случае. Заметим небольшое отклонение стрелки. Скрутим проводник, как показано на рис. 121, в; видим, что стрелка не отклоняется, т. е. у скрученного (бифилярного) проводника магнитного поля нет. Чем больше индукция магнитного поля, тем сильнее оно действует на магнитную стрелку. Из опытов делаем вывод: величина индукции магнитного поля тока зависит от формы проводника: а > б, в =0. При прочих равных условиях величина индукции магнитного поля наибольшая у проводника в форме катушки.
Магнитное поле - составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц, либо магнитными моментами электронов в атомах (постоянные магниты).
Магни́тная инду́кция -векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в данной точке пространства. Показывает, с какой силой магнитное поле действует назаряд , движущийся со скоростью.
Линиями магнитной индукции (силовыми линиями магнитного поля) называются линии, проведенные в магнитном поле так, что в каждой точке поля касательная к линии магнитной индукции совпадает с направлением вектора В в этой точке поля.
Линии магнитной индукции проще всего наблюдать с помощью мелких
Игольчатых железных опилок, которые намагничиваются в исследуемом поле и ведут себя подобно маленьким магнитным стрелкам (свободная магнитная стрелка разворачивается в магнитном поле так, чтобы ось стрелки, соединяющая ее южный полюс с северным, совпадала с направлением В ).
Вид линий магнитной индукции простейших магнитных полей показан
на рис. Из рис. б - г видно, что эти линии охватывают проводник с током, создающий поле. Вблизи проводника они лежат в плоскостях, перпендикулярных проводнику.
Н
аправление
линий индукции определяется поправилу
буравчика
:
если ввинчивать буравчик по направлению
вектора плотности тока в проводнике,
то направление движения рукоятки
буравчика укажет направление линий
магнитной индукции.
Линии индукции магнитного поля
тока ни в каких точках не могут обрываться, т. е. ни начинаться, ни кончаться: они либо замкнуты (рис. б, в, г), либо бесконечно навиваются на некоторую поверхность, всюду плотно заполняя ее, но никогда не возвращаясь вторично в любую точку поверхности.
Теорема Гаусса для магнитной индукции
Поток вектора магнитной индукциичерез любую замкнутую поверхность равен нулю:
Это
эквивалентно тому, что в природе не
существует «магнитных зарядов»
(монополей),
которые создавали бы магнитное поле,
как электрические заряды создают
электрическое поле. Иными словами,
теорема Гаусса для магнитной индукции
показывает, что магнитное поле являетсявихревым
.
2 Закон Био- Савара – Лапласа
Пусть постоянный ток течёт по контуру γ, находящемуся в вакууме,- точка, в которой ищется поле, тогдаиндукциямагнитного поля в этой точке выражается интегралом (в системеСИ)
Направление перпендикулярнои, то есть перпендикулярно плоскости, в которой они лежат, и совпадает с касательной к линиимагнитной индукции. Это направление может быть найдено по правилу нахождения линий магнитной индукции (правилу правого винта): направление вращения головки винта дает направление, если поступательное движение буравчика соответствует направлению тока в элементе. Модуль вектораопределяется выражением (в системеСИ)
Векторный потенциалдаётся интегралом (в системеСИ)
Закон Био - Савара - Лапласа может быть получен из уравнений Максвелладля стационарного поля. При этом производные по времени равны 0, так что уравнения для поля в вакууме примут вид (в системеСГС)
где -плотность токав пространстве. При этом электрическое и магнитное поля оказываются независимыми. Воспользуемся векторным потенциалом для магнитного поля (в системеСГС):
Калибровочная инвариантностьуравнений позволяет наложить на векторный потенциал одно дополнительное условие:
Раскрывая двойной роторпоформуле векторного анализа, получим для векторного потенциала уравнение типауравнения Пуассона:
Его частное решение даётся интегралом, аналогичным ньютонову потенциалу:
Тогда магнитное поле определяется интегралом (в системе СГС)
аналогичным по форме закону Био - Савара - Лапласа. Это соответствие можно сделать точным, если воспользоваться обобщёнными функциямии записать пространственную плотность тока, соответствующую витку с током в пустом пространстве.Переходяот интегрирования по всему пространству к повторному интегралу вдоль витка и по ортогональным ему плоскостям и учитывая, что
получим закон Био - Савара - Лапласа для поля витка с током.
Для наглядного изображения магнитного поля пользуются линиями магнитной индукции. Линией магнитной индукции называют такую линию, в каждой точке которой индукция магнитного поля (вектор ) направлена по касательной к кривой. Направление этих линий совпадает с направлением поля. Условились линии магнитной индукции проводить так, чтобы число этих линий, приходящихся на единицу площади площадки, перпендикулярной к ним, равнялось бы модулю индукции в данной области поля. Тогда по густоте линий магнитной индукции судят о магнитном поле. Там, где линии гуще, модуль индукции магнитного поля больше. Линии магнитной индукции всегда замкнуты в отличие от линий напряжённости электростатического поля , которые разомкнуты (начинаются и заканчиваются на зарядах). Направление линий магнитной индукции находится по правилу правого винта: если поступательное движение винта совпадает с направлением тока, то его вращение происходит в направлении линий магнитной индукции. В качестве примера приведём картину линий магнитной индукции прямого тока, текущего перпендикулярно к плоскости чертежа от нас за чертёж (рис. 2).
|
|
|
| |
Рис. 3
Найдём циркуляцию индукции магнитного поля по окружности произвольного радиуса a
, совпадающей с линией магнитной индукции. Поле создаётся током силой I
, текущим по бесконечно длинному проводнику, расположенным перпендикулярно к плоскости чертежа (рис. 3). Индукция магнитного поля направлена по касательной к линии магнитной индукции. Преобразуем выражение , так какa = 0иcosa = 1. Индукция магнитного поля, создаваемого током, текущим по бесконечно длинному проводнику, вычисляется по формуле: B =
m0mI/
(2pa
), то 
Циркуляцию вектора по данному контуру, находим по формуле (3): 
m 0 mI
, так как 
- длина окружности. Итак, 
Можно показать, что это соотношение справедливо для контура произвольной формы, охватывающего проводник с током. Если магнитное поле создано системой токов I
1, I
2, ... , I
n, то циркуляция индукции магнитного поля по замкнутому контуру, охватывающим эти токи, равна
(4)
Соотношение (4) и является законом полного тока: циркуляция индукции магнитного поля по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной, магнитной проницаемости на алгебраическую сумму сил токов, охватываемых этим контуром.
Силу тока можно найти, используя плотность тока j : где S -площадь поперечного сечения проводника. Тогда закон полного тока записывается в виде
(5)
МАГНИТНЫЙ ПОТОК.
По аналогии с потоком напряжённости электрического поля вводится поток индукции магнитного поля или магнитный поток. Магнитным потоком через некоторую поверхность называют число линий магнитной индукции, пронизывающих её. Пусть в неоднородном магнитном поле находится поверхность площадью S . Для нахождения магнитного потока через неё мысленно разделим поверхность на элементарные участки площадью dS , которые можно считать плоскими, а поле в их пределах однородным (рис. 4). Тогда элементарный магнитный поток dФ Bчерез эту поверхность равен: dФ B = B·dS· cos a = B ndS , где B - модуль индукции магнитного поля в месте расположения площадки, a - угол между вектором и нормалью к площадке, B n= B· cos a- проекция индукции магнитного поля на направление нормали. Магнитный поток Ф B через всю поверхность равен сумме этих потоков dФ B, т.е.
  Рис. 4
|
(6)
поскольку суммирование бесконечно малых величин - это интегрирование.
В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб). 1 Вб = 1 Тл·1 м 2 .
ТЕОРЕМА ГАУССА ДЛЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
В электродинамике доказывается следующая теорема: магнитный поток, пронизывающий произвольную замкнутую поверхность, равен нулю , т.е.
Это соотношение получило название теоремы Гаусса для магнитного поля. Эта теорема является следствием того, что в природе не существует "магнитных зарядов" (в отличие от электрических) и линии магнитной индукции всегда замкнуты (в отличие от линий напряжённости электростатического поля, которые начинаются и заканчиваются на электрических зарядах).
РАБОТА ПО ПЕРЕМЕЩЕНИЮ ПРОВОДНИКА С ТОКОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
|
Известно, что на проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. Если проводник перемещается, то при его движении эта сила совершает работу. Определим её для частного случая. Рассмотрим электрическую цепь, один из участков DC которой может скользить (без трения) по контактам. При этом цепь образует плоский контур. Этот контур находится в однородном магнитном поле с индукцией перпендикулярной к плоскости контура, направленном на нас (рис. 5). На участок DC действует сила Ампера,
F = BIl· sina =BIl , (8)
где l - длина участка, I - сила тока, текущего по проводнику. - угол между направлениями тока и магнитного поля. (В данном случаеa = 90°иsin a = 1). Направление силы находим по правилу левой руки. При перемещении участка DC на элементарное расстояние dx совершается элементарная работа dA , равная dA = F·dx . Учитывая (8), получаем:
dA = BIl·dx = IB·dS = I·dФ B, (9)
поскольку dS = l·dx - площадь, описываемая проводником при своём движении, dФ B=B·dS - магнитный поток через эту площадь или изменение магнитного потока через площадь плоского замкнутого контура. Выражение (9) справедливо и для неоднородного магнитного поля. Таким образом, работа по перемещению замкнутого контура с постоянным током в магнитном поле равна произведению силы тока на изменение магнитного потока через площадь этого контура.
ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
Явление электромагнитной индукции заключается в следующем: при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую проводящим контуром, в нём возникает электродвижущая сила . Её называют э.д.с. индукции . Если контур замкнут, то под действием э.д.с. появляется электрический ток, названный индукционным .
Рассмотрим один из опытов, проведённых Фарадеем, по обнаружению индукционного тока, следовательно, и э.д.с. индукции. Если в соленоид, замкнутый на очень чувствительный электроизмерительный прибор (гальванометр) (рис. 6), вдвигать или выдвигать магнит, то при движении магнита наблюдается отклонение стрелки гальванометра, свидетельствующее о возникновении индукционного тока. То же самое наблюдается при движении соленоида относительно магнита. Если же магнит и соленоид неподвижны относительно друг друга, то и индукционный ток не возникает. Таким образом, при взаимном движении указанных тел происходит изменение магнитного потока, создаваемого магнитным полем магнита, через витки соленоида, что и приводит к появлению индукционного тока, вызванного возникающей э.д.с. индукции.
|
ПРАВИЛО ЛЕНЦА
Направление индукционного тока определяется правилом Ленца : индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, которое вызывает этот ток . Из этого следует, что при возрастании магнитного потока возникающий индукционный ток будет иметь такое направление, чтобы порождаемое им магнитное поле было направлено против внешнего поля, противодействуя увеличению магнитного потока. Уменьшение магнитного потока, наоборот, приводит к появлению индукционного тока, создающего магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем.
|
Пусть, например, в однородном магнитном поле находится квадратная рамка, изготовленная из металла и пронизываемая магнитным полем (рис.7). Предположим, что магнитное поле возрастает. Это приводит к увеличению магнитного потока через площадь рамки. Согласно правилу Ленца, магнитное поле, возникающего индукционного тока будет направлено против внешнего поля, т.е. вектор этого поля противоположен вектору . Применяя правило правого винта (если винт вращать так, чтобы его поступательное движение совпадало с направлением магнитного поля, то его вращательное движение даёт направление тока), находим направление индукционного тока Ii .
ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ.
Закон электромагнитной индукции, определяющий возникающую э.д.с., был открыт Фарадеем опытным путём. Однако его можно получить, исходя из закона сохранения энергии.
Вернёмся к электрической цепи, приведённой на рис. 5, помещённой в магнитное поле. Найдём работу, совершаемую источником тока с э.д.с. e за элементарный промежуток времени dt , при перемещении зарядов по цепи. Из определения э.д.с. работа dA сторсторонних сил равна: dA стор = e·dq , где dq - величина заряда, протекающего по цепи за время dt . Но dq = I·dt , где I - сила тока в цепи. Тогда
dA стор = e·I·dt . (10)
Работа источника тока расходуется на выделение некоторого количества теплоты dQ и на работу dA по перемещению проводника DC в магнитном поле. Согласно закону сохранения энергии, должно выполняться равенство
dA стор = dQ + dA. (11)
Из закона Джоуля - Ленца запишем:
dQ = I 2R·dt , (12)
где R - полное сопротивление данной цепи, а из выражения (9)
dA = I·dФ B, (13)
где dФ B- изменение магнитного потока через площадь замкнутого контура при движении проводника. Подставляя выражения (10), (12) и (13) в формулу (12), после сокращения на I , получаем e ·dt = IR·dt + dФ B. Разделив обе части этого равенства на dt , находим: I = (e – Из этого выражения следует вывод, что в цепи, кроме э.д.с. e , действует ещё какая-то электродвижущая сила ei , равная
(14)
и обусловленная изменением магнитного потока, пронизывающего площадь контура. Эта э.д.с. и является э.д.с. электромагнитной индукции или коротко э.д.с. индукции. Соотношение (14) представляет собой закон электромагнитной индукции , который формулируется: э.д.с. индукции в контуре равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую этим контуром. Знак минус в формуле (14) является математическим выражением правила Ленца.
