Дія магнітного поля на рухомі заряди та закон повного струму і його використання

ЗМІСТ

Вступ.

1. Обертальний момент, діючий на контур із струмом в магнітному полі.

2. Принцип суперпозиції магнітних полів. Закон Біо-Савара-Лапласа.

Висновки.

НАОЧНІ ПОСІБНИКИ І ПРИЛАДИ

1.         Прилад для демонстрації сили Ампера.

2.         Магнітна стрілка. Круговий струм в магнітному полі.

3.         Діафільми “Электромагнетизм”, “Магнитное поле тока”.

4.         Кінофільм “Магнитное поле движущихся зарядов”.

5.         Лектор-2000.

ОРГАНІЗАЦІЙНО-МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ПРОВЕДЕННЯ ЛЕКЦІЇ

Відомо, що в природі існує єдине змінне електромагнітне поле. Як окремий випадок існує електростатичне поле і магнітне поле. Основні характеристики електростатичного поля вже вивчені курсантами, а основні характеристики магнітного поля вивчатимуться на даному занятті. При цьому слід виділити, що аналога електричному заряду в магнітному полі не існує, тому магнітне поле вивчається за допомогою рамки з струмом, яка подібна магнітній стрілці і кількісно характеризується магнітним моментом . Необхідно також при вивченні магнітного поля проводити аналогію між електричним та магнітним полями, це сприяє кращому засвоєнню матеріалу і поглибленню знань з фізики.

ВСТУП

Магнітне поле є складовою частиною загального змінного електромагнітного поля, яке широко використовується на практиці в зв’язку – електромагнітні хвилі, в різного типу трансформаторах, генераторах, перетворювачах і ін. Тому вивчення основних характеристик і законів магнітного поля має важливе не тільки теоретичне, а й практичне значення для майбутніх офіцерів-зв’язківців. На занятті поглиблено будуть вивчатись характеристика магнітного поля – індукція та напруженість, метод графічного зображення поля за допомогою силових ліній, а також важливі закони-Ампера та Біо-Савара-Лапласа. Крім цього буде розглянуто принцип роботи двигунів та генераторів електричного струму.

1. Магнітне поле. Закон Ампера

Досліди показують, що, подібно тому, як в просторі навколо електричного заряду існує електричне поле, в просторі навколо електричних струмів існує силове поле яке називають магнітним полем.

Магнітне поле виникає також при існуванні змінного в часі електричного поля. Тобто змінні електричне і магнітне поля існують одночасно. Вони зв’язані нероздільно і створюють єдине електромагнітне поле. Тому магнітне (як і електростатичне) поле необхідно розглядати як окремий випадок загального змінного електромагнітного поля, коли постійний магніт нерухомий, або коли нерухомий провідник з постійним струмом.

В електростатиці для вивчення характеристик електричного поля використовують точковий заряд. Аналогії заряду в магнітному полі не існує. Тому для вивчення властивостей магнітного поля використовують дію поля на плоский контур зі струмом (рамку з струмом). При цьому розміри контура зі струмом повинні бути малими порівнюючи з відстанню до провідника зі струмом, магнітне поле яких вивчається. Досліди показують, що рамка з струмом в магнітному полі повертається певним чином, тобто магнітне поле оказує на рамку орієнтуючу дію. А це значить, що на рамку з струмом в магнітному полі діє пара сил, причому момент цієї пари М (як показують досліди) в залежності від орієнтації рамки змінюються від нуля до максимального значення. Ця орієнтуюча дія магнітного поля на рамку з струмом і дозволяє використати її для визначення величини і напрямку магнітного поля.

Подібно до того, як електростатичне поле характеризується силовою характеристикою – напруженістю поля Е, магнітне поле характеризується магнітною індукцією В – це силова характеристика магнітного поля, вона показує з якою силою діє магнітне поле на розміщений в полі провідник зі струмом. Таким чином, магнітне поле, як і електростатичне існує об’єктивно і його легко виявити. Крім цього, магнітне поле, як і електростатичне, матеріально, воно являє собою одну із форм існування матерії.

Магнітне поле, подібно до електричного, можна зображати графічно за допомогою силових ліній – ліній індукції магнітного поля. Лінією індукції магнітного поля називають таку лінію, дотична до якої в кожній точці співпадає з напрямком вектора індукції поля в цій точці (рис. 1).

Рис. 1

Так як індукція поля в будь-якій точці має одне єдине значення , то через одну точку поля можна провести тільки одну силову лінію і отже силові лінії магнітного поля, як і електричного, не перетинаються.

За допомогою ліній індукції можна графічно зобразити і величину індукції магнітного поля. Для цього домовились, через одиничну площину, перпендикулярну до ліній індукції, провести стільки силових ліній, щоб їх число було рівне В, тобто:

,

де DN - число силових ліній, що перетинає площину DS, яка перпендикулярна силовим лініям. При цьому вважається, що  в межах DS. Магнітне поле буде однорідним, якщо у всіх точках поля  (силові лінії поля паралельні і однакова їх густина).

На провідник із струмом в магнітному полі діє сила. Ампер показав, що сила , з якою магнітне поле діє на елемент провідника  зі струмом I, що знаходиться в магнітному полі прямо пропорційна силі струму в провіднику і векторному добутку елемента довжини  провідника на магнітну індукцію .

 ( 1 )

або  ( 2 )

де a - кут між напрямком струму І індуціє магнітного поля.

Напрям сили Ампера  визначається по правилу векторного добутку, або по правилу лівої руки. Якщо ліву руку розмістити так, щоб лінії індукції магнітного поля входили в долоню, а чотири випрямлені пальці збігались з напрямком струму в провіднику, то поставлений під прямим кутом великий палець вказує напрям сили Ампера. Закон Ампера широко використовується на практиці – в електровимірних приладах, електродвигунах та ін.

Магнітна індукція і напруженість магнітного поля. Магнітна проникність.

Оскільки магнітне поле вивчається за допомогою рамки із струмом- по орієнтуючій дії магнітного поля на рамку, то домовились визначати положення рамки в просторі з допомогою вектора , перпендикулярного до площини рамки (нормаль до рамки).

За додатній напрямок нормалі до рамки приймають нормаль, зв’язану зі струмом правилом свердлика (рис.2).

Рис. 2

Для визначення напрямку магнітного поля рамки розміщують в полі і дають їй можливість вільно повертатись і зайняти в просторі таке положення, при якому обертальний момент дорівнює нулю і рамка знаходитиметься в положенні стійкої рівноваги. Тоді напрям нормалі до рамки  співпадає з напрямком магнітного поля ().

Обертальний момент пари сил, що діє на рамку з струмом в магнітному полі дозволяє використати її для кількісної характеристики поля. Розглянемо, які властивості рамки впливають на обертальний момент.

Досліди показують, що обертальний момент М має максимальне значення, якщо нормаль рамки перпендикулярна до магнітного поля. Крім цього обертальний момент М пропорційний силі струму в рамці І , та площі рамки S, тобто

Величину P_m=I·S називають магнітним моментом рамки із струмом. Отже

 

М~P_m

Магнітний момент рамки із струмом – величина векторна. Напрям вектора  співпадає з напрямком нормалі  (рис.2).

Основною характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції . За напрямок вектора магнітної індукції приймають напрям додатньої нормалі до рамки, яка знаходиться в положенні стійкої рівноваги в магнітному полі.

Досліди показують, що якщо в одну і ту ж точку поля розміщати одинаково орієнтовані рамки з магнітними моментами  - то на них будуть діяти різні обертальні моменти М_1; М₂; М₃ , але відношення  буде сталим, тобто

Це відношення і визначає величину вектора індукції магнітного поля.

Векттором індукції магнітного потля називають вектор, чисельно рівний максимаьному обертальному моменту, який діє на одиничну рамки із струмом (P_m=1) в магнітному полі і направлений вздовж нормалі до рамки, коли вона знаходиться в стійкій рівновазі.

 ( 3 )

І якщо , то .

Відзначимо, що напрям вектора магнітної індукції  можна визначити також за допомогою магнітної стрілки. Якщо безмежно мала стрілка зайняла положення стійкої рівноваги, то вектор  паралельний вісі стрілки і направлений від південного полюса до північного.

Розмірність індукції в системі СІ можна визначити на основі формули (3).

.

Індукція магнітного поля залежить від властивостей речовини. Магнітні властивості речовини характеризуються відносною магнітною проникністю, яка показує, в скільки раз індукція магнітного поля в речовині  більша або менша індукції поля в вакуумі. Тобто, відносна магнітна проникність речовини m дорівнює відношенню індукції магнітного поля в речовині до індукції магнітного поля в вакуумі:

 ( 4 )

Крім індукції магнітного поля, яка залежить від властивостей речовини, магнітне поле характеризується напруженістю магнітного поля  - це також силова характеристика поля, але вона не залежить від властивостей речовини, причому для вакууму

 ( 5 )

де  - магнітна стала.

Напруженість магнітного поля визначається тільки струмом і не залежить від властивостей речовини. Вона являється аналогом вектора електричної індукції .

Враховуючи (4) і (5) , або  ( 6 )

де  - абсолютна магнітна проникність. В системі СІ індукція магнітного поля вимірюється в теслах (Тл), а напруженість магнітного поля – А/м.