4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 150.
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 150.
Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся частицы, обладающие электрическим зарядом. Для наглядности магнитное поле изображают в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Какой вид имеют эти линии, где они начинаются и где кончаются – ответы на эти вопросы читайте ниже.
Источники магнитного поля
Приведенный выше эксперимент наглядно демонстрирует, как любой человек может определить направление силовых линий магнитного поля Земли. Стрелка прибора покажет направления на южный и северный полюс. Продольная ось этого индикатора будет совпадать с вектором (В).
Электромагнитное поле проводника
Если аналогичный опыт выполнить около проводника с током, по движению стрелки можно определить круговое расположение силовых линий. Они образуют замкнутые кольца, перпендикулярные осевой линии кабеля.
Электромагнитная индукция
Достаточно сильное поле образует индукционная катушка. Практический пример – соленоид реле или запорного устройства. При включении такой узел втягивает внутрь металлический сердечник.
Схематический рисунок поясняет направление втягивающей силы, которая образуется в центральной оси соленоида
Вихревое поле
Внимательное исследование магнитного поля с помощью линий магнитной индукции позволяет установить очень важную его особенность. Линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты.
Вспомним, что с электростатическим полем дело обстоит иначе. Линии напряженности электростатического поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.
Поля с замкнутыми силовыми линиями называются вихревыми. Магнитное поле — вихревое поле.
Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобных электрическим, не обнаружено.
Заметим, что ни законы электродинамики, ни какие-либо другие известные физические законы не запрещают существования магнитных зарядов; точнее, существования частиц, обладающих магнитными зарядами. Поэтому предпринимались и предпринимаются поиски таких частиц. Однако они до сих пор не увенчались успехом. Причина этого пока не ясна.
Что такое электромагнитная индукция
Вектор магнитной индукции: формула
Это явление сопровождается возникновением поля в определенной среде, тока – в проводящем материале или поляризации отдельных предметов. Электромагнитная индукция зависит от изменения магнитных параметров со временем или соответствующего перемещения функциональных компонентов.
Установлена точная дата данного открытия – 29.08.1831 г. Известен автор – М. Фарадей. Ученый выявил пропорциональную зависимость ЭДС в замкнутом контуре от скорости, с которой изменяется магнитный поток.
Вихревое поле
Поля с замкнутыми векторными линиями называют вихревыми. Магнитное поле — вихревое поле.
Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе не существует.
Магнитное поле — вихревое поле, в каждой точке поля вектор магнитной индукции имеет определенное направление. Это направление указывает магнитная стрелка или его можно определить по правилу буравчика. Магнитное поле не имеет источников; магнитных зарядов в природе не существует.
Вопросы к параграфу
1. Как ориентируются в однородном магнитном поле замкнутый контур с током и магнитная стрелка?
2. Что называют линиями магнитной индукции?
3. Какие поля называют вихревыми?
4. Чем вихревое поле отличается от потенциального?
Законы Ленца и Фарадея
Явление электромагнитной индукции
Закон Фарадея показывает математическое соотношение важнейших параметров этого явления:
E = — dФ/dt,
где:
- Е – ЭДС;
- Ф – поток, образованный проникающим через ограниченный контур вектором магнитной индукции;
- t – время.
В этом выражении «-» перед основной частью обозначает правило, сформулированное Э. Ленцем. Этот российский ученый установил, что ток в рассматриваемом контуре создает направленность поля, противоположную силовой компоненте магнитного потока.
Для практического применения удобнее выразить отмеченные выше закономерности следующим образом:
Е = -N*(dФв/dt).
В этом примере представлена индукционная катушка, помещенная в магнитное (переменное) поле. Дополнительные компоненты:
- N – количество витков соленоида;
- Фв – поток через единичный виток.
В дифференциальном представлении этот закон описывают интегралом по произвольной поверхности от вектора магнитной индукции, который пронизывает область с определенными границами. Подобная форма позволяет учесть только изменения поля. Магнитным потоком называют совокупность линий, которые проходят через определенную площадку. Для упрощения расчетов полагают, что поле является однородным.
Чему равно ЭДС индукции?
Для определения величины возникающей ЭДС рассмотрим контур помещенный в однородное магнитное поле с индукцией В, по данному контуру свободно может перемещаться проводник длиной l.
Под действием силы F проводник начинает двигаться со скоростью v. За некоторое время ∆t проводник пройдёт путь db. Таким образом, затрачиваемая работа на перемещение проводника составит
Так как проводник состоит из заряженных частиц – электронов и протонов, то они также движутся вместе с проводником. Как известно на движущуюся заряженную частицу действует сила Лоренца, которая перпендикулярна к направлению движения частицы и к вектору магнитной индукции В, то есть электроны начинают двигаться вдоль проводника приводя к возникновению электрического тока в нём.
Однако на проводник с током в магнитном поле действует некоторая сила Fт, которая в соответствии с правилом левой руки будет противоположна действию силы F, за счёт которой проводник движется. Так как проводник движется равномерно, то есть с постоянной скоростью, то силы Fт и F равны по абсолютному значению
где В – индукция магнитного поля,
I – сила тока в проводника, возникающая по действием ЭДС индукции,
l – длина проводника.
Так как путь db пройденный проводником зависит от скорости v и времени t, то работа, затрачиваемая на перемещения проводника, в магнитном поле составит
При перемещении проводника в магнитном поле практически вся затрачиваемая на эту работу механическая энергия переходит в электрическую энергию, то есть
Таким образом, преобразовав последнее выражение, получим значение ЭДС индукции при движении прямолинейного проводника в магнитном поле
где В – индукция магнитного поля,
l – длина проводника,
v – скорость перемещения проводника.
Данное выражение соответствует движению проводника перпендикулярно линиям магнитной индукции. Если происходит движение под некоторым углом к линиям магнитной индукции, то выражение приобретает вид
На практике достаточно трудно посчитать скорость перемещения проводника, поэтому преобразуем выражение к следующему виду
где dS – площадка, которую пересекает проводник при своём движении,
dΦ – магнитный поток пронизывающий площадку dS.
Таким образом, ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока, который пронизывает контур.
Для обозначения направления движения тока в контуре вводят знак «–», который указывает, что ток в контуре направлен против положительного обхода контура. Таким образом
Зачастую в магнитном поле движется контур, состоящий из множества витков провода, поэтому ЭДС индукции будет иметь вид
где w – количество витков в контуре,
dΨ = wdΦ – элементарное потокосцепление.
Перефразируя предыдущее определение, ЭДС индукции в контуре равна скорости изменения потокосцепления этого контура.
Правило правой руки для магнитных и электрических сил
Формула ЭДС индукции
Если проводник перемещается в постоянном магнитном поле, в нем образуется движение заряженных частиц. Для уточнения основных параметров явления не нужны расчеты и эксперименты. Достаточно запомнить простую технологию, изображенную на следующем рисунке.
Правило «правой руки»
При таком расположении постоянного магнита перемещают проводник снизу вверх в сторону, куда указывает поднятый большой палец. Ладонь поворачивают в сторону северного полюса. Четыре сомкнутых пальца покажут направление движения индукционного тока.
Как возникает ЭДС индукции и индукционный ток?
Как я говорил в предыдущих статьях вокруг проводника, по которому протекает электрический ток, возникает электромагнитное поле. Данное магнитное поле я рассмотрел здесь и здесь. Однако существует и обратное явление, которое называется электромагнитная индукция. Данное явление открыл английский физик М. Фарадей.
Для рассмотрения данного явления рассмотрим следующий рисунок
На данном рисунке показана рамка из проводника, помещённая в электрическое поле с индукцией В. Если данную рамку двигать вверх-вниз по направлению магнитных силовых линий или влево – вправо перпендикулярно силовым линиям, то магнитный поток Φ пронизывающий рамку буден практически постоянным. Если же вращать рамку вокруг оси О, то за некоторый промежуток времени ∆t магнитный поток изменится на некоторую величину ∆Φ и в результате в рамке появится ЭДС индукции Еi и потечёт ток I, называемым индукционным током.
Сведения о линиях магнитной индукции
Из приведенных данных понятна силовая природа поля, созданного переменным током или перемещением проводника. Векторное выражение используют для точного выражения воздействий на индикаторный элемент. В начале публикации таким компонентом была стрелка компаса. Далее показана возможность применения проводящей рамки с током.
Линии индукции магнитного поля применяют для наглядного изображения данного явления. Если в любой точке такой кривой нарисовать вектор (В) по касательной, он укажет направление воздействия. Размером в масштабе показывают определенную силу.
Элементарной проверкой геометрических параметров можно установить уникальность каждого вектора. Они, как и линии силового поля, не пересекаются. Ниже представлены способы для уточнения распределения энергетических потоков в проводнике и окружающем пространстве.
Два способа определения направленности силового поля (электрического тока)
Для варианта с прямолинейным проводником правую руку сжимают, как показано на первом рисунке. Большой палец направляют в сторону движения тока. Сжатые пальцы покажут направление силовых линий. Вторая часть картинки демонстрирует определение параметров поля при пропускании тока через кольцевую рамку – «правило буравчика». Вращение этого инструмента аналогично направлению тока.
К сведению. Если соленоид достаточно большой по длине, поле в большей части рабочего объема будет однородным. Допустимо считать, что линии магнитного поля в этом случае расположены параллельно.
Что такое магнитный поток?
Магнитным потоком называется физическая величина пропорциональная количеству силовых линий магнитного поля на определённой площади пространства. Так как силовые линии являются абстрактным понятием, то, следовательно, магнитный поток характеризует интенсивность магнитного поля, то есть магнитную индукцию на данной площади. Магнитный поток обозначается Ф и имеет размерность Вб (Вебер).
Таким образом, магнитный поток можно выразить следующим выражением
где В – магнитная индукция,
S – площадь поверхности, для которой рассчитывается магнитный поток.
На рисунке изображены силовые линии магнитного поля, которые перпендикулярны к поверхности S, то есть угол между вектором магнитной индукции В и поверхностью S равен 90°. Однако часто бывает, что необходимо вычислит магнитный поток на плоскости не перпендикулярной вектору магнитной индукции. Для определения такого магнитного потока необходимо привести вектор магнитной индукции к нормали
Таким образом, итоговое выражение для нахождения магнитного потока будет иметь вид
где В – вектор магнитной индукции,
S – площадь поверхности, на которой находят магнитный поток,
α – угол между вектором магнитной индукции и нормалью к поверхности S.
Изображение линий магнитной индукции
Чтобы наглядно изучить распределение поля в пространстве, уменьшают размеры измерительных элементов. Для эксперимента подойдут железные опилки, равномерно рассыпанные на поверхности картонного листа или другой электрически нейтральной плоскости.
Линии магнитной индукции – наглядное изображение распределения силового поля
Если поднести с обратной стороны магнит, металлические частицы, как миниатюрные стрелки компаса, распределяться вдоль силовых полос. По расстоянию между ними можно судить об энергетических параметрах поля в определенном месте. Аналогичным образом создают рисунок. Большая густота (около полюсов) свидетельствует об увеличенном значении индукции.
К сведению. Физическим разделением постоянного магнита на части не получится создать отдельные полюса. В этом – принципиальное отличие от электростатических зарядов определенной полярности, которые также создают силовое поле.
Представленные знания применяют для решения разных инженерных задач. В частности, пригодятся простые правила определения направления тока в проводнике и стороны, в которую перемещается сердечник соленоида.
Поезд на магнитной подушке разгоняется до высоких скоростей с минимальными энергетическими потерями
Немного из истории магнетизма
Исследование явления магнетизма началось много веков назад, когда еще в VI в. до н.э. в древнем Китае были обнаружен камни (горная порода), которые притягивали к себе железные предметы. В 1269 г. французский исследователь Петр Перегрин разместил на поверхности постоянного сферического магнита маленькие стальные иголки и увидел, что они расположились не хаотично, а по определенным линиям, которые пересекались в двух точках, названных “полюсами” по аналогии с географическими полюсами Земли. Можно сказать, что это была первая “визуализация” магнитных линий.
Только в 1845 г. английский физик Майкл Фарадей для понимания сути магнитных явлений сформулировал понятие “магнитного поля”. Он считал, что как электрическое, так и магнитное взаимодействия осуществляются посредством невидимых полей — электрического и магнитного. Магнитное поле непрерывно в пространстве и способно действовать на движущиеся заряды.
В 1831 г. Майкл Фарадей обнаружил, что переменное магнитное поле порождает электрическое и наоборот — непостоянное (изменяющееся во времени) электрическое поле создает магнитное поле. Это явление стало известно как закон электромагнитной индукции Фарадея. Слово индукция латинского происхождения (induction) означает “наведение, выведение”.
Что такое ЭДС самоидукции? Индуктивность
Как известно вокруг проводника с током существует магнитное поле. Так как индукция магнитного поля пропорциональна силе тока протекающего через проводник, а магнитный поток пропорционален магнитной индукции, следовательно, магнитный поток пропорционален силе тока, протекающей через проводник.
Таким образом, при изменении силы тока происходит изменение магнитного потока (или потокосцепления). Однако в соответствие с законом электромагнитной индукции, изменение потокосцепления приводит к возникновению в проводнике ЭДС индукции.
Данное явление (возникновение ЭДС) в проводнике при изменении проходящего по нему тока называется самоиндукцией. Возникающая вследствие самоиндукции ЭДС называется ЭДС самоиндукции ЕL, которая равна
где dΨL – изменение потокосцепления.
Следовательно между электрическим током в проводнике и потокосцеплением, возникающего вокруг проводника магнитного поля существует некоторый коэффициент пропорциональности связывающий их. Таким коэффициентом является индуктивность – обозначается L (имеет старое название коэффициент самоиндукции)
Величина индуктивности характеризует способность электрической цепи создавать потокосцепление (магнитный поток) при протекании по ней электрического тока. Единицей индуктивности является Генри (обозначается Гн)
Таким образом, индуктивность зависит от геометрических размеров проводника с током и от магнитных свойств магнитной цепи, через которую замыкается магнитный поток, создаваемый проводником с током.
В следующей статье я расскажу, как рассчитать индуктивность различных по форме проводников с током.
Примечания
- Если учитывать и действие электрического поля E
, то формула (полной) силы Лоренца принимает вид: F→=qE→+qv→×B→.{\displaystyle {\vec {F}}=q{\vec {E}}+q.}При отсутствии электрического поля (или если член, описывающий его действие, специально вычесть из полной силы) имеем формулу, приведённую в основном тексте.
- Это определение с современной точки зрения менее фундаментально, чем приведённое выше (и является просто его следствием), однако с точки зрения близости к одному из практических способов измерения магнитной индукции может быть полезным; также и с исторической точки зрения.
- То есть в наиболее фундаментальном и простом для ознакомления виде.
- То есть в частном случае постоянных токов и постоянных электрического и магнитного полей или — приближённо — если изменения настолько медленны, что ими можно пренебречь.
- Являющаяся частным магнитостатическим случаем закона Ампера — Максвелла (см. в статье далее).
