Что такое магнитная индукция

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСИ КРУГОВОГО ТОКА

Цель работы: изучить свойства магнитного поля, ознакомиться с понятием магнитной индукции. Определить индукцию магнитного поля на оси кругового тока.

Теоретическое введение. Магнитное поле.Существование в природе магнитного поля проявляется в многочисленных явлениях, простейшими из которых являются взаимодействие движущихся зарядов (токов), тока и постоянного магнита, двух постоянных магнитов. Магнитное поле векторное. Это означает, что для его количественного описания в каждой точке пространства необходимо задать вектор

магнитной индукцией

Так как магнитное поле является силовым, то его изображают с помощью линий магнитной индукции – линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции в этих точках поля. Принято через единичную площадку, перпендикулярную

Воднородным,

Для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом.

В однородном магнитном поле на прямолинейный проводник действует сила Ампера:

(1) ,

где

Направление силы Ампера

правилом правого винта

F = I×l×B×sin a или (2).

Из последнего соотношения вытекает физический смысл магнитной индукции: магнитная индукция однородного поля численно равна силе, действующей на проводник с током 1 А, длиной 1 м, расположенный перпендикулярно направлению поля.

Единицей измерения магнитной индукции в СИ является Тесла (Тл): .

Магнитное поле кругового тока.Электрический ток не только взаимодействуют с магнитным полем, но и создает его. Опыт показывает, что в вакууме элемент тока создает в точке пространства магнитное поле с индукцией

где

m=4p×10-7 Гн/мrзаконом Био-Савара-Лапласа

На основе закона Био-Савара-Лапласа и принципа суперпозиции проводится расчет магнитных полей электрических токов, текущих в проводниках произвольной конфигурации, путем интегрирования по всей длине проводника. Например, магнитная индукция магнитного поля в центре кругового витка радиусом R, по которому течет ток I, равна:

Линии магнитной индукции кругового и прямого токов показаны на рисунке 1. На оси кругового тока линия магнитной индукции является прямой. Направление магнитной индукции связано с направлением тока в контуре правилом правого винта. В применении к круговому току его можно сформулировать так: если винт с правой резьбой вращать по направлению кругового тока, то поступательное движение винта укажет направление линий магнитной индукции, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором магнитной индукции.

а) б) Рис. 1. Линии магнитной индукции: а) кругового тока, б) прямого тока

Если имеется не одиночный, а многовитковый контур с числом витков N, то магнитная индукция будет больше, чем у одновиткового, также в N раз. Если поместить контур с током в некоторую среду с относительной магнитной проницаемостью m, то произойдет увеличение магнитной индукции в m раз. Магнитное поле на некотором расстоянии от контура ослабевает. Учитывая все эти факторы из закона Био-Савара-Лапласа можно получить выражение для магнитной индукции на оси кругового тока:

где R – радиус кольца, х – расстояние от центра кольца до точки оси, в которой определяется магнитная индукция.

studopedia.ru

Обозначающие средства

При измерении показателя индуктивности в пределах системы СИ, для ее обозначения используют «Гн». Один контур вмещает себя величину индукции равную одному генри. Но для этого необходимым условием является изменение тока на один ампер ежесекундно. Данное требование дает контуры на выводе с показателем возникшего напряжения, равного одному вольту.

Системные возможности СГС позволяют нам измерять показатель индуктивности при помощи Гауссовой системы. СГСЭ единицей, определяющей данную величину, служит статгенри. Однако очень часто ей не дают имени.

Обозначение символом L увековечило имя ученого Э. Х. Ленца. По имени Дж. Генри также назвали единицу измерения величины индуктивности. Предложил ввести в терминологию понятие индуктивности О. Хевисайд, а сделал он это в 1886 году.

B и H магнитная индукция

Магнитная индукция B измеряется теслами (СИ), Тл эквивалентно Н с / Кл м. Н – ньютон, единица измерения силы; с – секунда времени; Кл – кулон, электрический заряд; м – метр расстояния. СГС для тех же целей применяет гауссы (Гс = √г / с √см), г – грамм массы; с – секунда времени; см – сантиметр расстояния. H магнитная индукция измеряется амперами на метр (СИ) или эрстедах (СГС). Русскоязычная литература именует Н напряженностью поля.

Единица тесла введена в 1960 году Международной конференцией по весам и мерам в честь скончавшегося Николы Тесла. Фактически с начала существования СИ. Как ученые жили до этого? К 1948 году зародилась идея внедрения СИ, уже существовала СГС. Истоки последней заложены в 1832 году Карлом Фридрихом Гауссом, искавшим единый базис для отраслей физики, дабы проще было связать разнородные законы. Ученый задался тремся основными единицами: миллиметр, миллиграмм, секунда.

Гаусс скончался вскоре после введения понятия магнитная индукция и деления величины на В и Н, однако в 1874 году Джеймс Максвелл, лорд Кельвин дополнили перечень новыми величинами. Магнитную индукцию назвали в честь основателя, одновременно систему нарекли СГС (до этого именовалась гауссовой). Что касается СИ, теслу можно представить через базовые или производные единицы разным образом. Вебер, отнесенный на квадратный метр.

Отталкивание катушек с током

В вакууме два вида индукции (Н и В) связаны через постоянные. Чтобы отличить одно от другого, Н именуется вектором напряженности магнитного поля. Понятно, что смыслом не сильно отличается от В. В формуле:

μ – магнитная проницаемость среды.
μ0 – магнитная постоянная (проницаемость вакуума). В системе СГС равна 1, в вакууме В и Н одинаковы. В СИ составляет 1,257 микроньютона на квадратный ампер.

Постоянные введены специально, чтобы связать Н и В – характеристики магнитного поля. Кстати, существует множество версий, почему лорд Кельвин назвал векторы таким образом (литеры Н и В). Интересующимся рекомендуем ознакомиться с понятиями: относительная магнитная проницаемость (отношение абсолютной μ к постоянной μ0), магнитная восприимчивость (относительная магнитная проницаемость, увеличенная на 1). Поможет лучше понять формулы литературных источников, где зависимость между В и Н иного вида приведенного обзором.

Можете найти множество законов, формул, касающихся магнитной индукции, показывающих, сколь важное место занимает параметр в теории. Авторам неизвестно, пользовался ли подобными величинами Никола Тесла при разработке многофазного асинхронного двигателя, но неспроста же величине дали имя великого ученого!

Направление магнитной индукции

Магнитные силы, как и любые другие силы, имеют направление. Для его определения служат специальные правила.

Правило буравчика

Согласно этому правилу, если направление поступательного движения острия буравчика при ввинчивании совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращательного движения буравчика в каждой точке совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля.

Рис. 2. Правило буравчика.

Правило обхвата правой рукой

Приведенное правило зачастую недостаточно понятно из-за того, что буравчик в современном мире используется нечасто. Поэтому гораздо удобнее применять правило охвата правой рукой: если большой палец правой руки указывает направление тока, то остальные пальцы будут показывать направление магнитных линий.

Данное правило удобнее еще и потому, что его можно применять и для определения направления магнитной индукции катушки с током, в этом случае четыре пальца направляются вдоль витков катушки, в направлении тока в них, а большой палец укажет направление вектора магнитной индукции. То есть, большой палец в обоих случаях указывает на прямую линию, а остальные пальцы – на охватывающую.

Рис. 3. Правило обхвата правой рукой.

Энергия магнитного поля

Совокупность магнитных силовых линий имеет определенный запас энергии. Так как данное явление в контуре обусловлено протеканием по нему электрического тока, то и количество такой энергии зависит от величины затрат источников (генераторов, гальванических элементов) на создание тока. Рассчитывается эта величина (Wмаг.п) по следующей математической формуле:

Wмаг.п= (L×I2)/2.

На заметку. С практической точки зрения, значение данной величины оказывает влияние на мощность электрических агрегатов: электродвигателей, генераторов. Чем больше мощность силовых линий, образуемых обмотками или постоянными магнитами статора и ротора, тем выше крутящий момент и мощность двигателя, больше его КПД.

Модуль магнитной индукции

Закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на проводник с током, был открыт А.Ампером. Согласно этому закону, сила, действующая на проводник, пропорциональна силе тока в проводнике, его длине и модулю магнитной индукции:

$$F=I{\big|\overrightarrow B\big|}Δl\thinspace sin\thinspace\alpha$$

Максимальная сила соответствует перпендикулярному расположению линий магнитной индукции и тока. Зная эту силу, можно получить формулу индукции магнитного поля:

$$B={F_{max}\over IΔl}$$

Из этой же формулы можно получить единицу измерения магнитной индукции – Тесла:

$$Тл={Н\over А×м}$$,

то есть, индукция силой 1 тесла – эта индукция, которая действует на проводник с силой тока 1 Ампер длинной 1 метр с силой 1 Ньютон.

1 Тл – это очень сильное магнитное поле. Обычное магнитное поле Земли имеет значение около 0,05 мТл. Индукция поля бытового магнита из защелок составляет около 5 мТл. Самое сильное магнитное поле, с которым может столкнуться обычный человек – это сила поля МРТ-томографа. Здесь значение индукции может доходить до 3 Тл !

Что мы узнали?

Индукция магнитного поля – это векторная величина, характеризующую интенсивность поля. Чем выше индукция, тем с большей силой поле действует на проводник с током. Направление магнитной индукции определяется правилом буравчика или правилом обхвата правой руки.

Тест по теме

Вопрос 1 из 5

Индукция магнитного поля показывает…
- с какой силой магнитное поле действует на проводник с током
- с какой силой магнитное поле действует на покоящиеся электрические заряды
- в каком направлении течет ток по проводнику
- значение заряда, помещенное в это магнитное поле

Начать тест(новая вкладка)

Индуктивность.Электродвижущая сила самоиндукции

• Электромагнетизм •

Магнитное поле тока, магнитная индукция, магнитный поток
Электромагнитная сила
Взаимодействие парал лельных проводов с токами
Магнитная проницаемость
Напряженность магнитного поля,магнитное напряжение
Закон полного тока
Магнитное поле катушки с током
Ферромагнетики,их намагничивание и перемагничивание
Ферромагнитные материалы
Магнитная цепь и ее расчет
Электромагниты
Электромагнитная индукция
Принцип работы электричес кого генератора
Принцип работы электродви гателя
Вихревые токи
Индуктивность.Электродви жущая сила самоиндукции
Энергия магнитного поля
Взаимная индуктивность
…

• Обзор сайта •

Электрооборудование до 1000 В
Электрические аппараты
Электрические машины
Эксплуатация электро оборудования
Электрооборудование электротехнологических установок
Электрооборудование общепромышленных установок
Электрооборудование подъемно-транспортных установок
Электрооборудование металлообрабатывающих станков
Электрооборудование выше 1000 В
Электрические аппараты высокого напряжения
Электротехника
Электрическое поле
Электрические цепи постоянного тока
Электромагнетизм
Электрические машины постоянного тока
Основные понятия,отно сящиеся к переменным токам
Цепи переменного тока
Трехфазные цепи
Электротехнические измерения и приборы
Трансформаторы
Электрические машины переменного тока
Электромонтаж
С чего начинается электро монтаж энергоснабжения электрооборудования и электропроводки
Монтаж электропроводки
Расчёт потребляемой мощ ности,сечения кабеля и номинала автоматического выключателя
Электромонтажные работы и прокладка кабеля в жилых и нежилых помещениях
Электромонтажные работы по расключению распаечных коробок и электрооборудова ния
Электромонтаж и заземле ние розеток
Электромонтаж уравнива ния потенциалов
Электромонтаж контура заземления
Электромонтаж модульного штыревого контура заземле ния
Электромонтаж нагреватель ного кабеля для подогрева полов
Электромонтажные работы по прокладке кабеля в зем ле
Электричество в частном доме
Проект электроснабжения

• Электротехника •

Электрическое поле
Электрические цепи постоянного тока
Электромагнетизм
Электрические машины постоянного тока
Основные понятия,отно сящиеся к переменным токам
Цепи переменного тока
Трехфазные цепи
Электротехнические измерения и приборы
Трансформаторы
Электрические машины переменного тока
…

ЭЛЕКТРОСПЕЦ

При прохождении тока по цепи каждый контур или виток катушки пронизывается собственным магнитным потоком, который называется потоком самоиндукции ΦL. Сумма потоков самоиндукции всех витков контура или катушки называется потокосцеплением самоиндукции ΦL. При постоянной магнитной проницаемости среды магнитный поток и потокосцепление самоиндукции пропорциональны току. Отношение потокосцепления самоиндукции к току контура или катушки при неизменной магнитной проницаемости среды постоянно и называется индуктивностью:

Индуктивность характеризует связь потокосцепления самоиндукции с током контура. Единицей измерения индуктивности в системе СИ служит генри (Г):

Ом-секунда или генри — крупная единица, поэтому часто пользуются дольными единицами — миллигенри (1 мГ 1 • 10-3 Г) и микрогенри (1 мкГ =1 • 10-6 Г). Условное обозначение участка цепи, обладающего индуктивностью, показано на рис. 3.32.

Определим индуктивность кольцевой катушки. Потокосцепление кольцевой катушки (3-20)

а индуктивность её

Таким образом, индуктивность катушки зависит от размеров катушки, от числа витков и от магнитной проницаемости среды (сердечника):

Всякое изменение тока в цепи (в контуре) сопровождается изменением магнитного потока и потокосцепления самоиндукции, а следовательно, возникновением э. д. с., которая в этом случае называется э. д. с. самоиндукции. Явление возникновения э. д. с. в контуре вследствие изменения тока в этом контуре называется самоиндукцией. Величина э. д. с. самоиндукции определяется по (3-29):

Следовательно,э. д. с. самоиндукции пропорциональна индуктивности и скорости изменения тока в цепи. Направление э. д. с. самоиндукции определяется по закону Ленца. При увеличений тока, т. е. при di/dt > О, э. д. с. eL отрицательна и, следовательно, направлена встречно току; наоборот, при уменьшении тока, т. е. при di/dt < О э. д. с. eL положительна и, следовательно, направлена одинаково с током.

Магнитное поле. Формулы ЕГЭ

3.3 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

3.3.1 Механическое взаимодействие магнитов

Около электрического заряда образуется своеобразная форма материи — электрическое поле. Вокруг магнита существует подобная форма материи, но имеет другую природу происхождения (ведь руда электрически нейтральна), ее называют магнитным полем. Для изучения магнитного поля используют прямой или подковообразный магниты. Определенные места магнита обладают наибольшим притягивающим действием, их называют полюсами (северный и южный). Разноименные магнитные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются.

Магнитное поле. Вектор магнитной индукции

Для силовой характеристики магнитного поля используют вектор индукции магнитного поля B. Магнитное поле графически изображают при помощи силовых линий (линии магнитной индукции). Линии являются замкнутыми, не имеют ни начала, ни конца. Место, из которого выходят магнитные линии — северный полюс (North), входят магнитные линии в южный полюс (South).

Магнитная индукция B — векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля.

Принцип суперпозиции магнитных полей — если магнитное поле в данной точке пространства создается несколькими источниками поля, то магнитная индукция — векторная сумма индукций каждого из полей в отдельности

Линии магнитного поля. Картина линий поля полосового и подковообразного постоянных магнитов

3.3.2 Опыт Эрстеда. Магнитное поле проводника с током. Картина линий поля длинного прямого проводника и замкнутого кольцевого проводника, катушки с током

Магнитное поле существует не только вокруг магнита, но и любого проводника с током. Опыт Эрстеда демонстрирует действие электрического тока на магнит. Если прямой проводник, по которому идёт ток, пропустить через отверстие в листе картона, на котором рассыпаны мелкие железные или стальные опилки, то они образуют концентрические окружности, центр которых располагается на оси проводника. Эти окружности представляют собой силовые линии магнитного поля проводника с током.

3.3.3 Сила Ампера, её направление и величина:

Сила Ампера — сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника с током, то есть силы Ампера.

где I — сила тока в проводнике;

B — модуль вектора индукции магнитного поля;

L — длина проводника, находящегося в магнитном поле;

α — угол между вектором магнитного поля и направлением тока в проводнике.

3.3.4 Сила Лоренца, её направление и величина:

Так как электрический ток представляет собой упорядоченное движение зарядов, то действие магнитного поля на проводник с током есть результат его действия на отдельные движущиеся заряды. Силу, действующую со стороны магнитного поля на движущиеся в нем заряды, называют силой Лоренца. Сила Лоренца определяется соотношением:

где q — величина движущегося заряда;

V — модуль его скорости;

B — модуль вектора индукции магнитного поля;

α — угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции.

Обратите внимание, что сила Лоренца перпендикулярна скорости и поэтому она не совершает работы, не изменяет модуль скорости заряда и его кинетической энергии. Но направление скорости изменяется непрерывно

Сила Лоренца перпендикулярна векторам В и v , и её направление определяется с помощью того же правила левой руки, что и направление силы Ампера: если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции В, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного, например электрона), то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца Fл.

Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле

При движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не совершает. Поэтому модуль вектора скорости при движении частицы не изменяется. Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а ее скорость лежит в плоскости, перпендикулярной вектору то частица будет двигаться по окружности радиуса R:

R=mv/qB

Постоянные магниты

Источником магнитного поля (МП) могут служить постоянные магниты. Они изготавливаются из магнетита. В природе он известен как оксид железа. Это минерал чёрной окраски, имеющий молекулярное строение FeO·Fe2O3. Свойства магнитов известны с давних времён. Магниты имеют два полюса – северный и южный.

Постоянные магниты можно классифицировать по следующим критериям:

материал, из которого изготовлен магнит;
форма;
сфера использования.

Магниты с постоянными полюсами изготавливаются из различных материалов:

ферритов – прессованных изделий из порошков оксида железа и оксидов иных металлов;
редкоземельных – нодимовых (NdFeB), самариевых (SmCo), литых (сплавы металлов), полимерных (магнитопласты).

Форма магнитов самая различная:

цилиндрическая (прямоугольная);
подковообразная;
кольцеобразная;
дискообразная.

Направление линий МП в зависимости от формы магнита

Постоянные магниты нашли широкое применение в различных отраслях народного хозяйства:

МРТ – медицинский прибор для диагностики человеческого организма;
приводы жёстких дисков в современных компьютерах;
в радиотехнике, при изготовлении динамиков;
производство декоративных украшений с применением магнитов на полимерной основе.

В двигателях постоянного тока такие магниты вмонтированы в корпус индуктора.

Линии магнитного поля

Электрическое поле можно исследовать с помощью элементарных зарядов, по поведению которых удобно судить о значении и направлении материи. Аналогом такой энергии является пробная частица, которую можно представить в виде стрелки, точнее компаса. Например, если взять много устройств, указывающих на магнитные полюса Земли, и разместить их в некотором геометрическом пространстве, то можно будет визуализировать силы, характеризующие электромагнитное поле.

Но определить направление материи вокруг проводников с током различной формы или так называемый магнитный спектр можно и практически. Для этого используются различные установки. Простейшей из них является комплекс, включающий в свой состав:

источник питания;
диэлектрическую рамку;
толстый медный провод способный пропустить ток порядка 20 ампер;
железные опилки.

В рамке через просверленное отверстие продевают провод, который подключают к источнику питания. Сверху на проволоку насыпают стружки. После подачи тока можно будет наблюдать, как образуются цепочки, повторяющие форму распространения силы поля. Например, вокруг прямого провода, расположенного перпендикулярно пластинке, можно будет увидеть кольцевые силовые линии.

Проведя эксперимент, можно узнать в чём состоит особенность линий магнитной индукции. Во-первых, их распространение неравномерное. В некоторых местах они гуще. Во-вторых, эти линии никогда не пересекаются и всегда замкнутые. С точки зрения физики, можно добавить, что направление магнитного поля возможно выяснить по правилу буравчика. При этом вектор индукции касателен к каждой точке отрезка.

Для эксперимента нужно высыпать опилки на лист бумаги, а рядом с ними положить компас. Затем снизу медленно поднести магнит, желательно через деревянную прослойку. Тогда можно будет не только увидеть рисунок поля, но и заметить, что стрелка компаса показывает в ту же сторону, куда направлены железные опилки.

Как измерить магнитное поле

В связи с тем, что магнитное поле является векторным полем, для того, чтобы полностью его описать, вам нужны как его интенсивность, так и направление. Направление поля относительно легко определить. Просто используйте компас — его стрелка установится в направлении магнитного поля Земли. Магнитные компасы известны и используются в навигации (с использованием магнитного поля Земли) с 11-го века. Измерение значений поля немного сложнее. Первые магнитометры появились только в 19 веке. Большинство из них были основаны на наблюдении за поведением электрона, помещенного в магнитное поле. Точные измерения слабых магнитных полей стали возможными только в 1988 году с открытием явления гигантского магнитосопротивления, которое наблюдалось в некоторых материалах со слоистой структурой. Это явление быстро нашло применение при конструировании жестких дисков, на которых сохраняются данные с компьютеров. Результат был значительным — емкость дисков увеличилась на целые порядки всего за несколько лет с момента появления новой технологии (примерно с 0,01 до 10 GB / см^2 ). Если вы хотите описать магнитное поле количественно (то есть, скажем, насколько оно сильное), мы должны указать, говорим ли мы о магнитной индукции В или о напряженности магнитного поля H. В системе СИ единицей магнитной индукции является тесла (символ T в честь Николы Теслы ). Значение магнитной индукции в теслах определяется величиной силы, которая будет влиять на нагрузку, движущуюся в исследуемом поле. Значение индукции магнитного поля, создаваемой средними магнитами на холодильник, составляет ~ 0,001 Т и магнитная индукция земного поля 5 * 10–5 Т. Другая, иногда используемая, единица — Гаусс (символ G). Преобразование единицы очень просто: 1 T = 10^4 G. На практике Гаусс часто используется, потому что поле магнитной индукции, равное 1 тесле, уже очень велико, и мы редко имеем дело с этим порядком величины. Альтернатива магнитной индукции В величина напряженности магнитного поля H. Оба, как векторы, направлены вдоль силовых линий, принимая другие значения внутри магнитных материалов. В некоторых сложных случаях величина H это полезно, но для наших целей B будет вполне достаточно.