Поля с замкнутыми силовыми линиями

Таким макаром, индукция магнитного поля на оси радиального витка с током убывает назад пропорционально третьей степени расстояния от центра витка до точки на оси. Вектор магнитной индукции на оси витка параллелен оси. Его направление можно найти при помощи правого винта: если навести правый винт параллельно оси витка и крутить его по направлению тока в витке, то направление поступательного движения винта покажет направление вектора магнитной индукции.

3.5 Силовые полосы магнитного поля

Магнитное поле, как и электростатическое, комфортно представлять в графической форме – при помощи силовых линий магнитного поля.

Силовая линия магнитного поля – это линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Силовые полосы магнитного поля проводят так, что их густота пропорциональна величине магнитной индукции: чем больше магнитная индукция в некоторой точке, тем больше густота силовых линий.

Таким макаром, силовые полосы магнитного поля имеют сходство с силовыми линиями электростатического поля.

Но им характерны и некоторые особенности.

Разглядим магнитное поле, сделанное прямым проводником с током I.

Пусть этот проводник перпендикулярен плоскости рисунка.

В разных точках, расположенных на одинаковых расстояниях от проводника, индукция одинакова по величине.

Направление вектора В в различных точках показано на рисунке.

Линией, касательная к которой во всех точках совпадает с направлением вектора магнитной индукции, является окружность.

Поэтому, силовые полосы магнитного поля в данном случае представляют собой окружности, обхватывающие проводник. Центры всех силовых линий размещены на проводнике.

Таким макаром, силовые полосы магнитного поля замкнуты (силовые полосы электростатического не могут быть замкнуты, они начинаются и завершаются на зарядах).

Потому магнитное поле является вихревым (так именуют поля, силовые полосы которых замкнуты).

Замкнутость силовых линий значит ещё одну, очень важную особенность магнитного поля – в природе не существует (по последней мере, пока не найдено) магнитных зарядов, которые являлись бы источником магнитного поля определённой полярности.

Потому не бывает раздельно существующе-го северного либо южного магнитного полюса магнита.

Даже если распилить напополам неизменный магнит, то получится два магнита, любой из которых имеет оба полюса.

3.6. Сила Лоренца

Экспериментально установлено, что на заряд, перемещающийся в магнитном поле, действует сила. Эту силу принято именовать силой Лоренца:

.

Модуль силы Лоренца

,

где a – угол между векторами v и B.

Направление силы Лоренца находится в зависимости от направления вектора . Его можно найти при помощи правила правого винта либо правила левой руки. Но направление силы Лоренца не непременно совпадает с направлением вектора !

Дело в том, что сила Лоренца равна результату произведения вектора [v, В] на скаляр q. Если заряд положительный, то Fл параллельна вектору [v, В]. Если же q < 0, то сила Лоренца обратна направлению вектора [v, В] (см. набросок).

Если заряженная частичка движется параллельно силовым линиям магнитного поля, то угол a между векторами скорости и магнитной индукции равен нулю. Поэтому, сила Лоренца на таковой заряд не действует (sin 0 = 0, Fл = 0).

Если же заряд будет двигаться перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то угол a между векторами скорости и магнитной индукции равен 90 0 . В данном случае сила Лоренца имеет очень вероятное значение: Fл = qvB.

Сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости движения заряда. Это значит, что сила Лоренца не может поменять величину скорости движения, но изменяет её направление.

Потому в однородном магнитном поле заряд, влетевший в магнитное поле перпендикулярно его силовым линиям, будет двигаться по окружности.

Если на заряд действует только сила Лоренца, то движение заряда подчиняется следующему уравнению, составленному на базе второго закона Ньютона: ma = Fл.

Так как сила Лоренца перпендикулярна скорости, постольку ускорение заряженной частички является центростремительным (обычным): (тут R – радиус кривизны линии движения заряженной частички).

Вектор индукции магнитного поля

Определение
Вектор магнитной индукции — силовая черта магнитного поля. Она определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд, перемещающийся в поле с определенной скоростью. Обозначается как→B. Единица измерения — Тесла (Тл).

За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, котором на участок проводника длиной 1 м при силе тока в нем 1 А действует со стороны поля наибольшая сила, равна 1 Н. 1 Н/(А∙м) = 1 Тл.

Модуль вектора магнитной индукции — физическая величина, равная отношению наибольшей силы, действующей со стороны магнитного поля на отрезок проводника с током, к произведению силы тока и длины проводника:

Читайте также: Обозначение кварцевого резонатора на схеме: механизм работы и конструкция

За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.

Приятную картину магнитного поля можно получить, если выстроить так именуемые полосы магнитной индукции. Линиями магнитной индукции именуют полосы, касательные к которым ориентированы так же, как и вектор магнитной индукции в данной точке поля.

Особенность линий магнитной индукции заключается в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Поля с замкнутыми силовыми линиями именуют вихревыми. Потому магнитное поле — вихревое поле.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой базовое свойство магнитного поля. Оно состоит в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, схожим электрическим, в природе нет.

Наблюдение за спектрами

В согласовании с плотностью линий магнитного поля (МП) можно узреть величину вектора индукции, а согласно направленности силовых рядов — его течение. Наблюдение за спектрами неизменного тока и катушки по сути указывает, что при удалении проводника индукция МП миниатюризируется и достаточно стремительно.

Магнитный фон именуется:

1. С разным выведением в различных точках — гетерогенным. Неоднородный фон — это часть прямолинейного и кругового тока, вне соленоида, неизменённого магнита и т. д.
2. С индукцией во всех точках — однородным полем. Графически таковой МФ представлен силовыми линиями, которые числятся равноотстоящими параллельными частями. Этот случай является фоном изнутри длинноватого соленоида, также полем между близкими примыкающими плоскими наконечниками электромагнита.

Произведение индукции поля, проникающего в контур от его области, именуется потоком МИ либо простым МП. Определение было входные данные и исследовано английским физиком Фарадеем. Он отметил, что эта концепция по сути позволяет поглубже разглядеть кооперативный нрав магнитных и электрических явлений.

Обозначая поток буковкой f, площадью контура S и углом между направлением вектора индукции B и обычной частью n к области α, можно написать магнитный поток формулой:

МП является скалярным размером. К примеру, так как плотность силовых рядов случайного магнитного поля равна его индукции, он уравнивается всему количеству линий, которые попадают в цепь. С конфигурацией поля поток, который пронизывает контур, также изменяется.

Единица измерения магнитного потока — вебер. Определение СИ струи считается линия, площадь которой 1 м², оказавшаяся на равномерном фоне с индукцией 1 Вт / м2 и перпендикулярная вектору. Это устройство будет обозначаться:

1 Вт = 1 Вт / м2 — 1 м².

Направление вектора магнитной индукции и методы его определения

Дабы найти направление вектора магнитной индукции, необходимо:

1. Расположить в магнитном поле компас.
2. Дождаться, когда магнитная стрелка займет устойчивое положение.
3. Принять за направление вектора магнитной индукции направление стрелки компаса «север».

В пространстве между полюсами неизменного магнита вектор магнитной индукции выходит из северного полюса:

Читайте также: Расчет потребляемой мощности электроэнергии дома

При определении направления вектора магнитной индукции при помощи витка с током следует использовать правило буравчика:

При вкручивании острия буравчика вдоль направления тока ручка будет крутиться по направлению вектора →B магнитной индукции.

Отсюда следует, что:

• Если по витку ток идет против часовой стрелки, то вектор магнитной индукции →B ориентирован ввысь.

• Если по витку ток идет по часовой стрелке, то вектор магнитной индукции →B ориентирован вниз.

Методы обозначения направлений векторов:

Пример №1. На рисунке изображен проводник, по которому течет электрический ток. Направление тока обозначено стрелкой. Как ориентирован (ввысь, вниз, на лево, на право, от наблюдающего, к наблюдающему) вектор магнитной индукции в точке С?

Если на уровне мыслей начать вкручивать острие буравчика по направлению тока, то окажется, что вектор магнитной индукции в точке С будет ориентирован к нам — к наблюдающему.

Физический смысл магнитной индукции

До того как перейти к рассмотрению формулы магнитной индукции, необходимо узнать, чем разъясняется появление самого явления в системе. Соленоид не является плоским элементом и содержит в себе спираль из проводника (металла). При отсутствии воздействующих на него магнитных явлений находящиеся в кристаллической решетке материала спирали электрозаряды ведут себя статично. Когда в соленоиде движется неизменный магнитный элемент, формирующий поле, под его воздействием движутся и заряженные частички, тогда в индуктивном элементе возникает электрический ток, сила которого определяется чертами магнитного и спирального элемента и тем, как стремительно происходит движение.

Принципиально! Имеющие одинаковую ориентацию поля суммируются, образуя общее поле. Когда передвижение заряженных частиц в соленоиде прекращается, сердечник перестает проявлять магнитные свойства, если он выполнен из мягенького металла (к железным изделиям это правило не относится).

Магнитное поле прямолинейного тока

Полосы магнитной индукции представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. Центр окружностей совпадает с осью проводника.

Если ток идет ввысь, то силовые полосы ориентированы против часовой стрелки. Если вниз, то они ориентированы по часовой стрелке. Их направление можно найти при помощи правила буравчика либо правила правой руки:

Правило буравчика (правой руки)

Если большой палец правой руки, отклоненный на 90 градусов, навести в сторону тока в проводнике, то другие 4 пальца покажут направление линий магнитной индукции.

Модуль вектора магнитной индукции на расстоянии r от оси проводника:

Читайте также: Какова скорость электрического сигнала?

Магнитное поле радиального тока

Силовые полосы представляют собой окружности, опоясывающие радиальный ток. Вектор магнитной индукции в центре витка ориентирован ввысь, если ток идет против часовой стрелки, и вниз, если по часовой стрелке.

Найти направление силовых линий магнитного поля витка с током можно также при помощи правила правой руки:

Если расположить четыре пальца правой руки по направлению тока в витке, то отклоненный на 90 градусов большой палец, покажет направление вектора магнитной индукции.

Модуль вектора магнитной индукции в центре витка, радиус которого равен R:

Модуль напряженности в центре витка:

Пример №2. На рисунке изображен проволочный виток, по которому течет электрический ток в направлении, обозначенном стрелкой. Виток размещен в вертикальной плоскости. Точка А находится на горизонтальной прямой, проходящей через центр витка. Как ориентирован (ввысь, вниз, на лево, на право) вектор магнитной индукции магнитного поля в точке А?

Если на уровне мыслей обхватить виток так, дабы четыре пальца правой руки могли быть ориентированы в сторону тока, то отклоненный на 90 градусов большой палец правой руки показал бы, что вектор магнитной индукции в точке А ориентирован на право.

Источники магнитного поля

Приведенный выше опыт наглядно показывает, как хоть какой человек может найти направление силовых линий магнитного поля Земли. Стрелка устройства 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 найти радиальное размещение силовых линий. Они образуют замкнутые кольца, перпендикулярные осевой полосы кабеля.

Электромагнитная индукция

Довольно сильное поле образует индукционная катушка. Практический пример – соленоид реле либо запорного устройства. При включении таковой узел втягивает вовнутрь железный сердечник.

Схематический набросок объясняет направление втягивающей силы, которая появляется в центральной оси соленоида

Магнитное поле электромагнита (соленоида)

Определение
Соленоид — это катушка цилиндрической формы, витки которой намотаны впритирку, а длина существенно больше поперечника.

Число витков в соленоиде N определяется формулой:

l — длина соленоида, d — поперечник проволоки.

Полосы магнитной индукции являются замкнутыми, при этом снутри соленоида они размещаются параллельно друг дружке. Поле снутри соленоида однородно.

Если ток по виткам соленоида идет против часовой стрелки, то вектор магнитной индукции →B снутри соленоида ориентирован ввысь, если по часовой стрелке, то вниз. Для определения направления линий магнитной индукции можно пользоваться правилом правой руки для витка с током.

Модуль вектора магнитной индукции в центральной области соленоида:

Модуль напряженности магнитного поля в центральной части соленоида:

Читайте также: Электроника для начинающих (часть 1)

Изображение линий магнитной индукции

Дабы наглядно изучить рассредотачивание поля в пространстве, уменьшают размеры измерительных частей. Для опыта подходят стальные опилки, умеренно рассыпанные на поверхности картонного листа либо другой электрически нейтральной плоскости.

Полосы магнитной индукции – приятное изображение рассредотачивания силового поля

Если поднести с оборотной стороны магнит, железные частички, как маленькие стрелки компаса, распределяться вдоль силовых полос. По расстоянию между ними можно судить об энергетических параметрах поля в определенном месте. Аналогичным образом делают набросок. Большая густота (около полюсов) свидетельствует об увеличенном значении индукции.

К сведению. Физическим разделением неизменного магнита на части не получится сделать отдельные полюса. В этом – принципное отличие от электростатических зарядов определенной полярности, которые также делают силовое поле.

Выставленные познания используют для решения различных инженерных задач. А именно, понадобятся обыкновенные правила определения направления тока в проводнике и стороны, в которую перемещается сердечник соленоида.

Поезд на магнитной подушке разгоняется до больших скоростей с наименьшими энергетическими потерями

Видео: Силовые линии электрического поля