Какими свойствами обладают линии магнитной индукции

Подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электрическое поле, так и в пространстве окружающем токи, возникает особого вида поле, называемое магнитным полем.

Магнитное поле проявляется по силам, действующим на проводники с током, на движущиеся заряды или постоянные магниты.

Неподвижные электрические заряды не создают магнитное поле и постоянное магнитное поле не действует на неподвижные электрические заряды.

Опыт показывает, что неподвижный заряд и магнитная стрелка не влияют друг на друга.

При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него возникает магнитное поле, действующее на магнитную стрелку, которая стремится занять положение поперек проводника при взгляде сверху.

Опыт Эрстеда (1820 г.), показывающий действие магнитного поля проводника с током на магнитную стрелку.

Характеристики магнитного поля

I. Вектор магнитной индукции (В) – совпадает по направлению с силой, действующей на северный полюс магнитной стрелки.

II. Линии магнитной индукции – кривые, в каждой точке которых, вектор магнитной индукции В направлен по касательной.

Свойства линий магнитной индукции

1. Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники стоком.

2. Вблизи проводника линии магнитной индукции лежат в плоскости перпендикулярной проводнику с током.

3. Направление линий магнитной индукции определяется по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик по направлению тока, то направление вращения его рукоятки укажет направление линий магнитной индукции.

Магнитное поле прямолинейного проводника с током.

Правило буравчика обратимо и для круговых токов его удобно применять в следующей формулировке: если вращать рукоятку буравчика по направлению кругового тока, то поступательное движение острия буравчика укажет направление линий магнитной индукции.

Линии магнитной индукции полей постоянного магнита, прямого тока, кругового тока и катушки с током.

Обратите внимание на аналогию магнитных полей постоянного магнита и катушки с током. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, они нигде не обрываются. Это означает, что магнитное поле не имеет источников – магнитных зарядов. Силовые поля, обладающие этим свойством, называются вихревыми. Картину магнитной индукции можно наблюдать с помощью мелких железных опилок, которые в магнитном поле намагничиваются и, подобно маленьким магнитным стрелкам, ориентируются вдоль линий индукции.

III. Вектор напряженности магнитного поля H.

Согласно предположению французского физика А. Ампера, в любом теле существуют микроскопические (молекулярные) токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Эти токи создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях макроскопических токов (токов, текущих в проводниках). Так, если вблизи какого-то тела (среды) поместить проводник с током, то под действием его магнитного поля микротоки в атомах тела определенным образом ориентируются, создавая тем самым дополнительное магнитное поле. Поэтому вектор магнитной индукции B характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками, т.е. при одном и том же токе I и прочих равных условиях вектор B в различных средах будет иметь разные значения.

Магнитное поле, создаваемое макротоками, характеризуется вектором напряженности H. Для однородной изотропной среды связь между векторами индукции B и напряженности H магнитного поля определяется выражением

В =μ₀μН, где

магнитная постоянная, μ – магнитная проницаемость среды (безразмерная величина), показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков усиливается за счет поля микротоков данной среды.

Единица напряженности магнитного поля: 1 А/м – напряженность такого поля, магнитная индукция которого в вакууме равна 4π·10-7 Тл.

Источник

Магнитное поле изображается силовыми линиями или линиями индукции – это линии, по касательным к которым располагаются магнитные стрелки.

За направление линии индукции применяется направление, которое указывает северный конец магнитной стрелки.

Направление линии индукции определяется правилом правого винта или правилом буравчика:

Поступательное движение винта совпадает с направлением тока, а вращательное движение с направлением линий индукции.

Свойства линий индукции:

а) линии индукции всегда замкнуты, т. е. носят вихревой характер (это говорит об отсутствие магнитных зарядов);

б) выходят из северного полюса и входят в южный;

в) нигде не пересекаются;

г) густота линий говорит об интенсивности магнитного поля.

Магнитное поле кольцевого тока и катушки с током.

а)

б)

Билет

Сила Ампера

Сила Ампера – это сила, которая действует на проводник с током в магнитном поле.

B – Магнитная индукция , если α = 90°.

Магнитная индукция – это силовая характеристика магнитного поля.

Она численно равна силе, действующей на проводник единичной длины, по которому течет единичный ток, если α = 90°.

[B]си =1 Тл (Тесла)

Направление силы Ампера определяется правилом левой руки:

Линии индукции входят в ладонь, четыре вытянутых пальца совпадают с направлением тока, а большой отогнутый показывает направление силы Ампера.

Применение:

а) электродвигатели;

б) измерительные приборы магнитоэлектрической системы.

Взаимодействие параллельных токов:

Билет

Сила Лоренца

Сила Лоренца – это сила, которая действует на движущийся заряд в магнитном поле.

-скорость заряда

q – заряд

α – угол между скоростью и магнитной индукцией

Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки.

Движение заряда в магнитном поле:

a) ⊥ ,

б) Если ⊥ , то траектория винтовая.

Сила Лоренца позволила определить состав радиоактивного излучения.

Используется в ускорителях элементарных частиц.

Билет

Магнитные свойства веществ.

По магнитным свойствам все вещества можно разделить на 3 группы:

Диамагнетики	Парамагнетики	Ферромагнетики
Ослабляет внешнее магнитное поле, выталкивается из него. μ<1	Усиливает внешнее магнитное поле, втягивается в него. μ>1	Значительно усиливает магнитное поле, сильно втягивается. μ>>1
Фосфор, сера, золото, серебро, медь.	Азот, платина	Никель, железо, кобальт и их соединения

Свойства ферромагнетиков обусловлены наличием домен – областей самопроизвольного намагничивания.

а) Ненамагниченный ферромагнетик

б) Намагниченный ферромагнетик

Применение: создание сердечников электромагнитов.

Размагнитить ферромагнетик можно:

а) с помощью магнитного поля. График размагничивания – петля гистерезиса;

б) с помощью нагревания до точки Кюри.

железо – 770оС

никель – 360оС

Билет

Электромагнитная индукция. Опыты Фарадея.

В 1820 г. Эрстед доказал, что электрическое поле может создать магнитное. Фарадей поставил обратную задачу: «Превратить магнетизм в электричество».

В 1831 г было открыто явление электромагнитной индукции.

Электромагнитная индукция – это явление возникновения электрического тока в замкнутой цепи, находящейся в переменном магнитном поле.

Опыты Фарадея:

а)

б)

Применение электромагнитной индукции:

Генератор – это электрическая машина, преобразующая механическую энергию в электрическую (с применением магнитной энергии).

Трансформатор – электромагнитный прибор, который преобразовывает переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения

Основной закон электромагнитной индукции

ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока со знаком минус ( «-» говорит о направленности индукционного тока).

Магнитный поток

[Ф]си = 1 Вб (Вебер)

(для катушки )

Билет

Правило Ленца.

1. Это правило позволяет определить направление индукционного тока.

Индукционный ток всегда возникает такого направления, чтобы своим магнитным полем противодействовать причине его вызывающей.

2.Возникновение индукционного тока в прямолинейном проводнике, движущемся в магнитном поле.

Правило правой руки

позволяет определить индукционный ток.

Линии индукции входят в ладонь, большой палец совпадает со скоростью движения проводника, а 4 вытянутых пальца указывают направление индукционного тока.

Билет

Источник

Êàê â ïðîñòðàíñòâå, îêðóæàþùåì ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä âîçíèêàåò ÝÏ, òàê è â ïðîñòðàíñòâå, îêðóæàþùåì òîêè è ïîñòîÿííûå ìàãíèòû, âîçíèêàåò ñèëîâîå ïîëå, íàçûâàåìîå ìàãíèòíûì (ÌÏ).

Â 1820ã. äàòñêèé ôèçèê Ýðñòåä îáíàðóæèë, ÷òî ïîëå, âîçáóæäàåìîå òîêîì, îêàçûâàåò îðèåíòèðóþùåå äåéñòâèå íà ìàãíèòíóþ ñòðåëêó.

Îïûò Ýðñòåäà çàêëþ÷àëñÿ â ñëåäóþùåì: íàä ìàãíèòíîé ñòðåëêîé íàòÿãèâàëàñü ïðîâîëîêà, ïî êîòîðîé ïðîïóñêàëè òîê. Ìàãíèòíàÿ ñòðåëêà ìîãëà âðàùàòüñÿ íà èãëå. Ïðè âêëþ÷åíèè òîêà ìàãíèòíàÿ ñòðåëêà ïîâîðà÷èâàëàñü è óñòàíàâëèâàëàñü ïåðïåíäèêóëÿðíî ê ïðîâîëîêå. Ïðè èçìåíåíèè íàïðàâëåíèÿ òîêà, ìàãíèòíàÿ ñòðåëêà ïîâîðà÷èâàëàñü â ïðîòèâîïîëîæíóþ ñòîðîíó è îïÿòü óñòàíàâëèâàëàñü ïåðïåíäèêóëÿðíî ê ïðîâîëîêå.

Èç îïûòà Ýðñòåäà âûòåêàåò, ÷òî ÌÏ èìååò íàïðàâëåííûé õàðàêòåð è äîëæíî õàðàêòåðèçîâàòüñÿ âåêòîðíîé âåëè÷èíîé, íàçûâàåìîé ìàãíèòíîé èíäóêöèåéè îáîçíà÷àåìîé .

Ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå äåéñòâóåò êàê íà íåïîäâèæíûå, òàê è íà äâèæóùèåñÿ çàðÿäû, à ÌÏ òîëüêî íà äâèæóùèåñÿ â ýòîì ïîëå çàðÿäû.

Âàæíåéøàÿ îñîáåííîñòü ÌÏ: îíî äåéñòâóåò òîëüêî íà äâèæóùèåñÿ çàðÿäû.

Äëÿ îáíàðóæåíèÿ ÝÏ â íåãî âíîñÿò ïðîáíûé çàðÿä. Äëÿ îáíàðóæåíèÿ ÌÏ â íåãî âíîñÿò ïðîâîäíèê ñ òîêîì (ïëîñêèé çàìêíóòûé êîíòóð ñ òîêîì) èëè ðàìêó ñ òîêîì, ëèíåéíûå ðàçìåðû ðàìêè ñ òîêîì ìàëû ïî ñðàâíåíèþ ñ ðàññòîÿíèåì äî òîêîâ, ïîðîæäàþùèõ ÌÏ.

ÌÏ äåéñòâóåò íà ðàìêó ñ òîêîì è ðàìêà ñ òîêîì ïîâîðà÷èâàåòñÿ. Îðèåíòàöèÿ êîíòóðà ñ òîêîì â ïðîñòðàíñòâå õàðàêòåðèçóåòñÿ íàïðàâëåíèåì íîðìàëè (), ò.å. çà íàïðàâëåíèå ÌÏ â äàííîé òî÷êå ïðèíèìàþò íàïðàâëåíèå ïîëîæèòåëüíîé íîðìàëè ê ðàìêå.

Какими свойствами обладают линии магнитной индукции

Ðèñ. 25.1

Çà ïîëîæèòåëüíîå íàïðàâëåíèå íîðìàëè ïðèíèìàåòñÿ íàïðàâëåíèå, ñâÿçàííîå ñ íàïðàâëåíèåì òîêà ïðàâèëîì ïðàâîãî âèíòà, ò.å. çà ïîëîæèòåëüíîå íàïðàâëåíèå ïðèíèìàåòñÿ íàïðàâëåíèå ïîñòóïàòåëüíîãî äâèæåíèÿ ïðàâîãî âèíòà, ãîëîâêà êîòîðîãî âðàùàåòñÿ â íàïðàâëåíèè òîêà, òåêóùåãî ïî ðàìêå (ðèñ. 25.1).

ÌÏ îêàçûâàåò íà êîíòóð ñ òîêîì (ðàìêó ñ òîêîì) ðèñ. 25.1. îðèåíòèðóþùåå äåéñòâèå, ïîâîðà÷èâàÿ åãî îïðåäåëåííûì îáðàçîì. Ýòîò ðåçóëüòàò ñâÿçàí ñ îïðåäåëåííûì íàïðàâëåíèåì ìàãíèòíîãî ïîëÿ.

Какими свойствами обладают линии магнитной индукции

Ðèñ. 25.2

Çà íàïðàâëåíèå èíäóêöèè ÌÏ () â äàííîé òî÷êå ïðèíèìàåòñÿ íàïðàâëåíèå, âäîëü êîòîðîãî ðàñïîëàãàåòñÿ ïîëîæèòåëüíàÿ íîðìàëü ê êîíòóðó ñ òîêîì.

Ïóñòü òîê òå÷åò ïî êîíòóðó ïðîòèâ õîäà ÷àñîâîé ñòðåëêè, òîãäà îñü ìàãíèòíîé ñòðåëêè, ïîìåùåííîé â ÌÏ, óñòàíàâëèâàåòñÿ âäîëü íàïðàâëåíèÿ ïîëÿ (îñü ìàãíèòíîé ñòðåëêè íàïðàâëåíà òàê, ÷òî ñîåäèíÿåò þæíûé ïîëþñ S ìàãíèòà ñ ñåâåðíûì N).

Íà ìàãíèòíóþ ñòðåëêó äåéñòâóåò ïàðà ñèë, ïîâîðà÷èâàþùàÿ åå äî òåõ ïîð, ïîêà îñü ñòðåëêè íå óñòàíîâèòñÿ âäîëü íàïðàâëåíèÿ ïîëÿ.

Âðàùàþùèé ìîìåíò, äåéñòâóþùèé íà ðàìêó ñ òîêîì ðàâåí:

(25.1)

Âðàùàþùèé ìîìåíò çàâèñèò îò ñâîéñòâ ïîëÿ â äàííîé òî÷êå è ñâîéñòâ ðàìêè, ãäå âåêòîð ìàãíèòíîãî ìîìåíòà ðàìêè ñ òîêîì, âåêòîð ìàãíèòíîé èíäóêöèè.

(25.2)

ìàãíèòíûé ìîìåíò ïëîñêîãî êîíòóðà ñ òîêîì, ãäå I ñèëà òîêà â êîíòóðå, S ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè êîíòóðà (ðàìêè), – åäèíè÷íûé âåêòîð íîðìàëè ê ïîâåðõíîñòè ðàìêè.

ì ↑↑ , ãäå íàïðàâëåíèå ïîëîæèòåëüíîé íîðìàëè ê ðàìêå.

Èíäóêöèÿ ÌÏ îïðåäåëÿåòñÿ òàê:

(25.3)

èëè

(25.4)

Âåêòîð ñèëîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà ÌÏ, íî ïî èñòîðè÷åñêèì ïðè÷èíàì åå íàçâàëè èíäóêöèåé ÌÏ.

ÌÏ ìîæíî èçîáðàæàòü ñ ïîìîùüþ ëèíèé ìàãíèòíîé èíäóêöèè ñèëîâûõ ëèíèé ÌÏ.

Ñèëîâûìè ëèíèÿìè ÌÏ íàçûâàþòñÿ ëèíèè, êàñàòåëüíûå ê êîòîðûì â êàæäîé òî÷êå ñîâïàäàþò ñ íàïðàâëåíèåì âåêòîðà .

Íàïðàâëåíèå ñèëîâûõ ëèíèé çàäàåòñÿ ïðàâèëîì ïðàâîãî âèíòà: îñòðèå âèíòà, äâèæåòñÿ ïî íàïðàâëåíèþ òîêà, à íàïðàâëåíèå âðàùåíèÿ ãîëîâêè âèíòà ïîêàçûâàåò íàïðàâëåíèå îáõîäà ïî ñèëîâûì ëèíèÿì.

Какими свойствами обладают линии магнитной индукции

Ðèñ. 25.3

Ñâîéñòâà ñèëîâûõ ëèíèé (ëèíèé ìàãíèòíîé èíäóêöèè) ÌÏ:

1) Ëèíèè ìàãíèòíîé èíäóêöèè âñåãäà çàìêíóòû è îõâàòûâàþò ïðîâîäíèêè ñ òîêîì.

(Ñèëîâûå ëèíèè ÝÑÏ ðàçîìêíóòû. Îíè íà÷èíàþòñÿ íà (+q) è çàêàí÷èâàþòñÿ íà (q)).

Ïîëå, ñèëîâûå ëèíèè êîòîðîãî çàìêíóòû, íàçûâàåòñÿ âèõðåâûì. ÌÏ – âèõðåâîå ïîëå. Èçîáðàçèì ëèíèè ìàãíèòíîé èíäóêöèè ïîëîñîâîãî ìàãíèòà. Ñèëîâûå ëèíèè âûõîäÿò èç ñåâåðíîãî ïîëþñà è âõîäÿò â þæíûé. Ðàçðåçàÿ ìàãíèò íà ÷àñòè, íåëüçÿ ðàçäåëèòü ïîëþñà ìàãíèòà. Âíóòðè (óñòàíîâëåíî íà îïûòå) ïîëîñîâûõ ìàãíèòîâ èìååòñÿ ìàãíèòíîå ïîëå, ñèëîâûå ëèíèè êîòîðîãî ÿâëÿþòñÿ ïðîäîëæåíèåì ñèëîâûõ ëèíèé âíå ìàãíèòà. Ò.å. ñèëîâûå ëèíèè ÌÏ ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ òîæå çàìêíóòû. Ñâîáîäíûõ ìàãíèòíûõ çàðÿäîâ íå ñóùåñòâóåò.

2) Ëèíèè ÌÏ íèêîãäà íå ïåðåñåêàþòñÿ. Èõ ãóñòîòà õàðàêòåðèçóåò âåëè÷èíó ìàãíèòíîé èíäóêöèè â äàííîé òî÷êå ïîëÿ. Ìàãíèòíàÿ èíäóêöèÿ çàâèñèò îò ñâîéñòâ ñðåäû.

3) Äëÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñïðàâåäëèâ ïðèíöèï ñóïåðïîçèöèè:

(25.5)

Ïîëå âåêòîðà , ïîðîæäàåìîå íåñêîëüêèìè äâèæóùèìèñÿ çàðÿäàìè (òîêàìè), ðàâíî âåêòîðíîé ñóììå ïîëåé , ïîðîæäàåìûõ êàæäûì çàðÿäîì (òîêîì) â îòäåëüíîñòè.

Â ÑÈ åäèíèöåé èçìåðåíèÿ ìàãíèòíîé èíäóêöèè ÿâëÿåòñÿ òåñëà:

1 Òë = Äæ/À·ì² = Í·ì/À·ì² = Í/À·ì

Ìàãíèòíîé ïðîíèöàåìîñòüþ ñðåäû ÿâëÿåòñÿ áåçðàçìåðíàÿ âåëè÷èíà, ïîêàçûâàþùàÿ, âî ñêîëüêî ðàç ÌÏ â ñðåäå áîëüøå ÷åì ÌÏ â âàêóóìå:

(25.6)

ãäå Â0 âåëè÷èíà ÌÈ â âàêóóìå, à Âñð âåëè÷èíà ìàãíèòíîé èíäóêöèè â ñðåäå.

Ãí/ì ìàãíèòíàÿ ïîñòîÿííàÿ.

Источник

Âàæíåéøàÿ îñîáåííîñòü ÌÏ: îíî äåéñòâóåò òîëüêî íà äâèæóùèåñÿ çàðÿäû.

Какими свойствами обладают линии магнитной индукции

Ðèñ. 25.1

Какими свойствами обладают линии магнитной индукции

Ðèñ. 25.2

Âðàùàþùèé ìîìåíò, äåéñòâóþùèé íà ðàìêó ñ òîêîì ðàâåí:

(25.1)

(25.2)

ì ↑↑ , ãäå íàïðàâëåíèå ïîëîæèòåëüíîé íîðìàëè ê ðàìêå.

Èíäóêöèÿ ÌÏ îïðåäåëÿåòñÿ òàê:

(25.3)

èëè

(25.4)

Âåêòîð ñèëîâàÿ õàðàêòåðèñòèêà ÌÏ, íî ïî èñòîðè÷åñêèì ïðè÷èíàì åå íàçâàëè èíäóêöèåé ÌÏ.

ÌÏ ìîæíî èçîáðàæàòü ñ ïîìîùüþ ëèíèé ìàãíèòíîé èíäóêöèè ñèëîâûõ ëèíèé ÌÏ.

Какими свойствами обладают линии магнитной индукции

Ðèñ. 25.3

Ñâîéñòâà ñèëîâûõ ëèíèé (ëèíèé ìàãíèòíîé èíäóêöèè) ÌÏ:

1) Ëèíèè ìàãíèòíîé èíäóêöèè âñåãäà çàìêíóòû è îõâàòûâàþò ïðîâîäíèêè ñ òîêîì.

(Ñèëîâûå ëèíèè ÝÑÏ ðàçîìêíóòû. Îíè íà÷èíàþòñÿ íà (+q) è çàêàí÷èâàþòñÿ íà (q)).

3) Äëÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñïðàâåäëèâ ïðèíöèï ñóïåðïîçèöèè:

(25.5)

Â ÑÈ åäèíèöåé èçìåðåíèÿ ìàãíèòíîé èíäóêöèè ÿâëÿåòñÿ òåñëà:

1 Òë = Äæ/À·ì² = Í·ì/À·ì² = Í/À·ì

(25.6)

ãäå Â0 âåëè÷èíà ÌÈ â âàêóóìå, à Âñð âåëè÷èíà ìàãíèòíîé èíäóêöèè â ñðåäå.

Ãí/ì ìàãíèòíàÿ ïîñòîÿííàÿ.

Источник

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: взаимодействие магнитов, магнитное поле проводника с током.

Магнитные свойства вещества известны людям давно. Магниты получили своё название от античного города Магнесия: в его окрестностях был распространён минерал (названный впоследствии магнитным железняком или магнетитом), куски которого притягивали железные предметы.

Взаимодействие магнитов

На двух сторонах каждого магнита расположены северный полюс и южный полюс. Два магнита притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами и отталкиваются одноимёнными. Магниты могут действовать друг на друга даже сквозь вакуум! Всё это напоминает взаимодействие электрических зарядов, однако взаимодействие магнитов не является электрическим. Об этом свидетельствуют следующие опытные факты.

• Магнитная сила ослабевает при нагревании магнита. Сила же взаимодействия точечных зарядов не зависит от их температуры.

• Магнитная сила ослабевает, если трясти магнит. Ничего подобного с электрически заряженными телами не происходит.

• Положительные электрические заряды можно отделить от отрицательных (например, при электризации тел). А вот разделить полюса магнита не получается: если разрезать магнит на две части, то в месте разреза также возникают полюса, и магнит распадается на два магнита с разноимёнными полюсами на концах (ориентированных точно так же, как и полюса исходного магнита).

Таким образом, магниты всегда двухполюсные, они существуют только в виде диполей. Изолированных магнитных полюсов (так называемых магнитных монополей — аналогов электрического заряда)в при роде не существует (во всяком случае, экспериментально они пока не обнаружены). Это, пожалуй, самая впечатляющая асимметрия между электричеством и магнетизмом.

• Как и электрически заряженные тела, магниты действуют на электрические заряды. Однако магнит действует только на движущийся заряд; если заряд покоится относительно магнита, то действия магнитной силы на заряд не наблюдается. Напротив, наэлектризованное тело действует на любой заряд ,вне зависимости от того, покоится он или движется.

По современным представлениям теории близкодействия, взаимодействие магнитов осуществляется посредством магнитного поля.А именно, магнит создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, которое действует на другой магнит и вызывает видимое притяжение или отталкивание этих магнитов.

Примером магнита служит магнитная стрелка компаса. С помощью магнитной стрелки можно судить о наличии магнитного поля в данной области пространства, а также о направлении поля.

Наша планета Земля является гигантским магнитом. Неподалёку от северного географического полюса Земли расположен южный магнитный полюс. Поэтому северный конец стрелки компаса, поворачиваясь к южному магнитному полюсу Земли, указывает на географический север. Отсюда, собственно, и возникло название «северный полюс» магнита.

Линии магнитного поля

Электрическое поле, напомним, исследуется с помощью маленьких пробных зарядов, по действию на которые можно судить о величине и направлении поля. Аналогом пробного заряда в случае магнитного поля является маленькая магнитная стрелка.

Например, можно получить некоторое геометрическое представление о магнитном поле, если разместить в разных точках пространства очень маленькие стрелки компаса. Опыт показывает, что стрелки выстроятся вдоль определённых линий —так называемых линий магнитного поля . Дадим определение этого понятия в виде следующих трёх пунктов.

1. Линии магнитного поля, или магнитные силовые линии — это направленные линии в пространстве, обладающие следующим свойством: маленькая стрелка компаса, помещённая в каждой точке такой линии, ориентируется по касательной к этой линии.

2. Направлением линии магнитного поля считается направление северных концов стрелок компаса, расположенных в точках данной линии.

3. Чем гуще идут линии, тем сильнее магнитное поле в данной области пространства.

Роль стрелок компаса с успехом могут выполнять железные опилки: в магнитном поле маленькие опилки намагничиваются и ведут себя в точности как магнитные стрелки.

Так, насыпав железных опилок вокруг постоянного магнита, мы увидим примерно следующую картину линий магнитного поля (рис. 1).

Какими свойствами обладают линии магнитной индукции

Рис. 1. Поле постоянного магнита

Северный полюс магнита обозначается синим цветом и буквой ; южный полюс — красным цветом и буквой . Обратите внимание, что линии поля выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс: ведь именно к южному полюсу магнита будет направлен северный конец стрелки компаса.

Опыт Эрстеда

Несмотря на то, что электрические и магнитные явления были известны людям ещё с античности, никакой взаимосвязи между ними долгое время не наблюдалось. В течение нескольких столетий исследования электричества и магнетизма шли параллельно и независимо друг от друга.

Тот замечательный факт, что электрические и магнитные явления на самом деле связаны друг с другом, был впервые обнаружен в 1820 году — в знаменитом опыте Эрстеда.

Схема опыта Эрстеда показана на рис. 2 (изображение с сайта rt.mipt.ru). Над магнитной стрелкой ( и — северный и южный полюсы стрелки) расположен металлический проводник, подключённый к источнику тока. Если замкнуть цепь, то стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику!
Этот простой опыт прямо указал на взаимосвязь электричества и магнетизма. Эксперименты последовавшие за опытом Эрстеда, твёрдо установили следующую закономерность: магнитное поле порождается электрическими токами и действует на токи.

Какими свойствами обладают линии магнитной индукции

Рис. 2. Опыт Эрстеда

Картина линий магнитного поля, порождённого проводником с током, зависит от формы проводника.

Магнитное поле прямого провода с током

Линии магнитного поля прямолинейного провода с током являются концентрическими окружностями. Центры этих окружностей лежат на проводе, а их плоскости перпендикулярны проводу (рис. 3).

Какими свойствами обладают линии магнитной индукции

Рис. 3. Поле прямого провода с током

Для определения направления линий магнитного поля прямого тока существуют два альтернативных правила.

Правило часовой стрелки . Линии поля идут против часовой стрелки, если смотреть так, чтобы ток тёк на нас.

Правило винта (или правило буравчика, или правило штопора — это уж кому что ближе ;-)). Линии поля идут туда, куда надо вращать винт (с обычной правой резьбой), чтобы он двигался по резьбе в направлении тока.

Пользуйтесь тем правилом, которое вам больше по душе. Лучше привыкнуть к правилу часовой стрелки — вы сами впоследствии убедитесь, что оно более универсально и им проще пользоваться (а потом с благодарностью вспомните его на первом курсе, когда будете изучать аналитическую геометрию).

На рис. 3 появилось и кое-что новое: это вектор , который называется индукцией магнитного поля, или магнитной индукцией. Вектор магнитной индукции является аналогом вектора напряжённости электрического поля: он служит силовой характеристикой магнитного поля, определяя силу, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряды.

О силах в магнитном поле мы поговорим позже, а пока отметим лишь, что величина и направление магнитного поля определяется вектором магнитной индукции . В каждой точке пространства вектор направлен туда же,куда и северный конец стрелки компаса, помещённой в данную точку, а именно по касательной к линии поля в направлении этой линии. Измеряется магнитная индукция в теслах (Тл).

Как и в случае электрического поля, для индукции магнитного поля справедлив принцип суперпозиции. Он заключается в том, что индукции магнитных полей , создаваемых в данной точке различными токами, складываются векторно и дают результирующий вектор магнитной индукции: .

Магнитное поле витка с током

Рассмотрим круговой виток, по которому циркулирует постоянный ток . Источник,создающий ток, мы на рисунке не показываем.

Картина линий поля нашего витка будет иметь приблизительно следующий вид (рис. 4).

Какими свойствами обладают линии магнитной индукции

Рис. 4. Поле витка с током

Нам будет важно уметь определять, в какое полупространство (относительно плоскости витка) направлено магнитное поле. Снова имеем два альтернативных правила.

Правило часовой стрелки. Линии поля идут туда, глядя откуда ток кажется циркулирующим против часовой стрелки.

Правило винта. Линии поля идут туда, куда будет перемещаться винт (с обычной правой резьбой), если вращать его в направлении тока.

Как видите, ток и поле меняются ролями — по сравнению с формулировками этих правил для случая прямого тока.

Магнитное поле катушки с током

Катушка получится, если плотно, виток к витку, намотать провод в достаточно длинную спираль (рис. 5 – изображение с сайта en.wikipedia.org). В катушке может быть несколько десятков, сотен или даже тысяч витков. Катушка называется ещё соленоидом.

Какими свойствами обладают линии магнитной индукции

Рис. 5. Катушка (соленоид)

Магнитное поле одного витка, как мы знаем, выглядит не очень-то просто. Поля? отдельных витков катушки накладываются друг на друга, и, казалось бы, в результате должна получиться совсем уж запутанная картина. Однако это не так: поле длинной катушки имеет неожиданно простую структуру (рис. 6).

Какими свойствами обладают линии магнитной индукции

Рис. 6. поле катушки с током

На этом рисунке ток в катушке идёт против часовой стрелки, если смотреть слева (так будет, если на рис. 5 правый конец катушки подключить к «плюсу» источника тока, а левый конец — к «минусу»). Мы видим, что магнитное поле катушки обладает двумя характерными свойствами.

1. Внутри катушки вдали от её краёв магнитное поле является однородным : в каждой точке вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению. Линии поля — параллельные прямые; они искривляются лишь вблизи краёв катушки, когда выходят наружу.

2. Вне катушки поле близко к нулю. Чем больше витков в катушке — тем слабее поле снаружи неё.

Заметим, что бесконечно длинная катушка вообще не выпускает поле наружу: вне катушки магнитное поле отсутствует. Внутри такой катушки поле всюду является однородным.

Ничего не напоминает? Катушка является «магнитным» аналогом конденсатора. Вы же помните, что конденсатор создаёт внутри себя однородное электрическое поле, линии которого искривляются лишь вблизи краёв пластин, а вне конденсатора поле близко к нулю; конденсатор с бесконечными обкладками вообще не выпускает поле наружу, а всюду внутри него поле однородно.

А теперь — главное наблюдение. Сопоставьте, пожалуйста, картину линий магнитного поля вне катушки (рис. 6) с линиями поля магнита на рис. 1. Одно и то же, не правда ли? И вот мы подходим к вопросу, который, вероятно, у вас уже давно возник: если магнитное поле порождается токами и действует на токи, то какова причина возникновения магнитного поля вблизи постоянного магнита? Ведь этот магнит вроде бы не является проводником с током!

Гипотеза Ампера. Элементарные токи

Поначалу думали, что взаимодействие магнитов объясняется особыми магнитными зарядами, сосредоточенными на полюсах. Но, в отличие от электричества, никто не мог изолировать магнитный заряд; ведь, как мы уже говорили, не удавалось получить по отдельности северный и южный полюс магнита — полюса всегда присутствуют в магните парами.

Сомнения насчёт магнитных зарядов усугубил опыт Эрстеда, когда выяснилось, что магнитное поле порождается электрическим током. Более того, оказалось, что для всякого магнита можно подобрать проводник с током соответствующей конфигурации, такой, что поле этого проводника совпадает с полем магнита.

Ампер выдвинул смелую гипотезу. Нет никаких магнитных зарядов. Действие магнита объясняется замкнутыми электрическими токами внутри него.

Что это за токи? Эти элементарные токи циркулируют внутри атомов и молекул; они связаны с движением электронов по атомным орбитам. Магнитное поле любого тела складывается из магнитных полей этих элементарных токов.

Элементарные токи могут быть беспорядочным образом расположены друг относительно друга. Тогда их поля взаимно погашаются, и тело не проявляет магнитных свойств.

Но если элементарные токи расположены согласованно,то их поля,складываясь,усиливают друг друга. Тело становится магнитом (рис. 7; магнитое поле будет направлено на нас; также на нас будет направлен и северный полюс магнита).

Какими свойствами обладают линии магнитной индукции

Рис. 7. Элементарные токи магнита

Гипотеза Ампера об элементарных токах прояснила свойства магнитов.Нагревание и тряска магнита разрушают порядок расположения его элементарных токов, и магнитные свойства ослабевают. Неразделимость полюсов магнита стала очевидной: в месте разреза магнита мы получаем те же элементарные токи на торцах. Способность тела намагничиваться в магнитном поле объясняется согласованным выстраиванием элементарных токов, «поворачивающихся» должным образом (о повороте кругового тока в магнитном поле читайте в следующем листке).

Гипотеза Ампера оказалась справедливой — это показало дальнейшее развитие физики. Представления об элементарных токах стали неотъемлемой частью теории атома, разработанной уже в ХХ веке — почти через сто лет после гениальной догадки Ампера.

Источник