Основные параметры магнитного поля

Содержание

Магнитное поле – особая форма материи, существующая вокруг движущихся электрических зарядов – токов.

Источниками магнитного поля являются постоянные магниты, проводники с током. Обнаружить магнитное поле можно по действию на магнитную стрелку, проводник с током и движущиеся заряженные частицы.

Для исследования магнитного поля используют замкнутый плоский контур с током (рамку с током).

Впервые поворот магнитной стрелки около проводника, по которому протекает ток, обнаружил в 1820 году Эрстед. Ампер наблюдал взаимодействие проводников, по которым протекал ток: если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются, если токи в проводниках текут в противоположных направлениях, то они отталкиваются.

Свойства магнитного поля:

магнитное поле материально;
источник и индикатор поля – электрический ток;
магнитное поле является вихревым – его силовые линии (линии магнитной индукции) замкнутые;
величина поля убывает с расстоянием от источника поля.

Важно!
Магнитное поле не является потенциальным. Его работа на замкнутой траектории может быть не равна нулю.

Магнитным взаимодействием называют притяжение или отталкивание электрически нейтральных проводников при пропускании через них электрического тока.

Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов объясняется так: всякий движущийся электрический заряд создает в пространстве магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы.

Силовая характеристика магнитного поля – вектор магнитной индукции ( vec ) . Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, к силе тока в проводнике ( I ) и его длине ( l ) :

Обозначение – ( vec ) , единица измерения в СИ – тесла (Тл).

1 Тл – это индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила 1 Н.

Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением от южного полюса к северному полюсу магнитной стрелки (направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки), свободно установившейся в магнитном поле.

Направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика:

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Для определения магнитной индукции нескольких полей используется принцип суперпозиции:

магнитная индукция результирующего поля, созданного несколькими источниками, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым источником в отдельности:

2.1. Основные характеристики магнитного поля

Поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению, называется однородным.

Наглядно магнитное поле изображают в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукции – это воображаемая линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.

Свойства магнитных линий:

магнитные линии непрерывны;
магнитные линии замкнуты (т.е. в природе не существует магнитных зарядов, аналогичных электрическим зарядам);
магнитные линии имеют направление, связанное с направлением тока.

Густота расположения позволяет судить о величине поля: чем гуще расположены линии, тем сильнее поле.

На плоский замкнутый контур с током, помещенный в однородное магнитное поле, действует момент сил ( M ) :

где ( I ) – сила тока в проводнике, ( S ) – площадь поверхности, охватываемая контуром, ( B ) – модуль вектора магнитной индукции, ( alpha ) – угол между перпендикуляром к плоскости контура и вектором магнитной индукции.

Тогда для модуля вектора магнитной индукции можно записать формулу:

где максимальный момент сил соответствует углу ( alpha ) = 90°.

В этом случае линии магнитной индукции лежат в плоскости рамки, и ее положение равновесия является неустойчивым. Устойчивым будет положение рамки с током в случае, когда плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции.

Взаимодействие магнитов

Постоянные магниты – это тела, длительное время сохраняющие намагниченность, то есть создающие магнитное поле.

Основное свойство магнитов: притягивать тела из железа или его сплавов (например стали). Магниты бывают естественные (из магнитного железняка) и искусственные, представляющие собой намагниченные железные полосы. Области магнита, где его магнитные свойства выражены наиболее сильно, называют полюсами. У магнита два полюса: северный ( N ) и южный ( S ) .

Важно!
Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса и входят в южный полюс.

Разделить полюса магнита нельзя.

Объяснил существование магнитного поля у постоянных магнитов Ампер. Согласно его гипотезе внутри молекул, из которых состоит магнит, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи ориентированы определенным образом, то их действия складываются и тело проявляет магнитные свойства. Если эти токи расположены беспорядочно, то их действие взаимно компенсируется и тело не проявляет магнитных свойств.

Магниты взаимодействуют: одноименные магнитные полюса отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Магнитное поле в проводниках с электрическим током

Если по проводнику протекает ток, то вокруг проводника создаётся магнитное поле направление которого определяется по правилу Буравчика.

Соленоид – проводник, свёрнутый в спираль.

Если по соленоиду протекает постоянный ток, то он ведёт себя как обыкновенный магнит, на его торцах образуется северный и южный полюс.

Намагничивающая сила соленоида прямо пропорционально ампер – витков.

Ф = К × I × W

В радиотехнике применяются соленоиды с сердечниками для увеличения интенсивности магнитного поля.

Ф = К × I × W × µ

µ – магнитная проницаемость

Параметры магнитного поля

Магнитная индукция ( В )

Магнитная индукция, характеризует интенсивность магнитного поля, численно определяемая величиной приложенной силы, с которой она действует на проводник длинной в 1 метр и при этом по проводнику протекает ток в 1А .

Размерность 1Тл (тесла)

Магнитный поток Ф

Количество силовых линий приходится на данную площадь

Ф = B × S 1Вб (Вебер)

Напряжённость магнитного поля ( Н )

Н – это отношение полного тока пронизывающего данную поверхность к длине магнитной силовой линии.

Магнитная проницаемость ( µ ) – она показывает , во сколько раз магнитное поле в данном веществе больше или меньше проницаемости в вакууме.

µ > 1 – парамагнитные материалы
µ – диамагнитные материалы
µ >> 1 – ферромагнитные материалы

Магнитное поле и его параметры, магнитные цепи

Под термином «магнитное поле» принято подразумевать определенное энергетическое пространство, в котором проявляются силы магнитного взаимодействия. Они влияют на:

отдельные вещества: ферримагнетики (металлы — преимущественно чугуны, железо и сплавы из них) и их класс ферритов вне зависимости от состояния;
движущиеся заряды электричества.

Физические тела, обладающие суммарным магнитным моментом электронов или других частиц, называют постоянными магнитами . Их взаимодействие представлено на картинке силовыми магнитными линиями .

Они образовались после поднесения постоянного магнита к обратной стороне картонного листа с ровным слоем железных опилок. Картинка демонстрирует четкую маркировку северного (N) и южного (S) полюсов с направлением силовых линий относительно их ориентации: выход из северного полюса и вход в южный.

Как создается магнитное поле

Источниками магнитного поля являются:

постоянные магниты;
подвижные заряды;
изменяющееся во времени электрическое поле.

С действием постоянных магнитов знаком каждый ребенок детсадовского возраста. Ведь ему уже приходилось лепить на холодильник картинки-магнитики, извлекаемые из упаковок с всякими лакомствами.

Находящиеся в движении электрические заряды обычно обладают значительно большей энергией магнитного поля, чем постоянные магниты. Его тоже обозначают силовыми линиями. Разберем правила их начертания для прямолинейного проводника с током I.

Магнитная силовая линия проводится в плоскости, перпендикулярной движению тока так, чтобы в каждой ее точке сила, действующая на северный полюс магнитной стрелки, направлялась по касательной к этой линии. Таким образом создаются концентрические окружности вокруг движущегося заряда.

Направление этих сил определяется известным правилом винта или буравчика с правосторонней навивкой резьбы.

Необходимо расположить буравчик соосно с вектором тока и вращать рукоятку так, чтобы поступательное движение буравчика совпадало с его направлением. Тогда ориентация силовых магнитных линий будет показана вращением рукоятки.

В кольцевом проводнике вращательное движение рукоятки совпадает с направлением тока, а поступательное — указывает на ориентацию индукции.

Магнитные силовые линии всегда выходят из северного полюса и входят в южный. Они продолжаются внутри магнита и никогда не бывают разомкнутыми.

Правила взаимодействия магнитных полей

Магнитные поля от разных источников складываются друг с другом, образуя результирующее поле.

При этом магниты с разноименными полюсами (N — S) притягиваются друг к другу, а с одноименными (N – N, S — S) — отталкиваются. Силы взаимодействия между полюсами зависят от расстояния между ними. Чем ближе сдвинуты полюса, тем большее усилие возникает.

Основные характеристики магнитного поля

вектор магнитной индукции ( В );
магнитный поток (Ф);
потокосцепление (Ψ).

Интенсивность или силу воздействия поля оценивают величиной вектора магнитной индукции . Она определяется значением силы «F», создаваемой проходящим током «I» по проводнику длиной «l». В =F/(I∙l)

Единица измерения магнитной индукции в системе СИ — Тесла (в знак памяти об ученом физике, который исследовал эти явления и описал их математическими методами). В русской технической литературе она обозначается «Тл», а в международной документации принят символ «Т».

1 Тл — это индукция такого однородного магнитного потока, который воздействует с силой в 1 ньютон на каждый метр длины прямолинейного проводника, перпендикулярно расположенного направлению поля, когда по этому проводнику проходит ток 1 ампер.

Направление вектора В определяется по правилу левой руки.

Если расположить ладонь левой руки в магнитном поле так, чтобы силовые линии из северного полюса входили в ладонь под прямым углом, а четыре пальца расположить по направлению тока в проводнике, то оттопыренный большой палец укажет направление действия силы на этот проводник.

В случае, когда проводник с электрическим током расположен не под прямым углом к магнитным силовым линиям, то сила, воздействующая на него, будет пропорциональна величине протекающего тока и составляющей части проекции длины проводника с током на плоскость, расположенную в перпендикулярном направлении.

Сила, воздействующая на электрический ток, не зависит от материалов, из которых создан проводник и площади его сечения. Даже если этого проводника вообще не будет, а движущиеся заряды станут перемещаться в другой среде между магнитными полюсами, то эта сила никак не изменится.

Если внутри магнитного поля во всех точках вектор В имеет одинаковое направление и величину, то такое поле считают равномерным.

Любая среда, обладающая магнитными свойствами, оказывает влияние на значение вектора индукции В .

Магнитный поток (Ф)

Если рассматривать прохождение магнитной индукции через определенную площадь S, то ограниченная ее пределами индукция будет называться магнитным потоком.

Когда площадь наклонена под каким-то углом α к направлению магнитной индукции, то магнитный поток уменьшается на величину косинуса угла наклона площади. Максимальное же его значение создается при перпендикулярном расположении площади к ее пронизывающей индукции. Ф=В·S

Единицей измерения магнитного потока является 1 вебер, определяемый прохождением индукции в 1 теслу через площадь в 1 метр квадратный.

Этот термин используется для получения суммарной величины магнитного потока, создаваемого от определенного количества проводников с током, расположенных между полюсами магнита.

Для случая, когда один и тот же ток I проходит по обмотке катушки с числом витков n, то полный (сцепленный) магнитный поток от всех витков называют потокосцеплением Ψ.

Ψ=n·Ф . Единицей измерения потокосцепления является 1 вебер.

Как образуется магнитное поле от переменного электрического

Электромагнитное поле, взаимодействующее с электрическими зарядами и телами, обладающими магнитными моментами, представляет собой совокупность двух полей:

электрического;
магнитного.

Они взаимосвязаны, представляют собой совокупность друг друга и при изменении в течение времени одного происходят определенные отклонения в другом. К примеру, при создании переменного синусоидального электрического поля в трехфазном генераторе одновременно образуется такое же магнитное поле с характеристиками аналогичных чередующихся гармоник.

Магнитные свойства веществ

По отношению к взаимодействию с внешним магнитным полем вещества подразделяют на:

антиферромагнетики с уравновешенными магнитными моментами, благодаря чему создается очень малая степень намагниченности тела;
диамагнетики со свойством намагничивания внутреннего поля против действия внешнего. Когда же внешнее поле отсутствует, то у них магнитные свойства не проявляются;
парамагнетики со свойствами намагничивания внутреннего поля по направлению действия внешнего, которые обладают малой степенью магнетизма;
ферромагнетики , обладающие магнитными свойствами без приложенного внешнего поля при температурах, меньших значения точки Кюри;
ферримагнетики с неуравновешенными по величине и направлению магнитными моментами.

Все эти свойства веществ нашли разнообразное применение в современной технике.

Этим термином называют совокупность различных магнитных материалов, по которым пропускают магнитный поток. Они являются аналогом электрических цепей и описываются соответствующими математическими законами (полного тока, Ома, Кирхгофа и др). Смотрите — Основные законы электротехники.

На основе расчетов магнитных цепей работают все трансформаторы, индуктивности, электрические машины и многие другие устройства.

Например, у работающего электромагнита магнитный поток проходит по магнитопроводу из ферромагнитных сталей и воздуху с выраженными не ферромагнитными свойствами. Совокупность этих элементов и составляет магнитную цепь.

Большинство электрических аппаратов в своей конструкции имеют магнитные цепи. Подробнее про это читайте в этой статье — Магнитные цепи электрических аппаратов

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Закон Ампера для магнитной цепи.

Направление силы определяется по правилу левой руки. Рассмотренное явление положено в основу работы электрических двигателей. Если токи проходят в одном направлении, то проводники притягиваются, если в разном — отталкиваются.

На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила. Так как ток в металлическом проводнике обусловлен движением электронов, то силу, действующую на проводник, можно рассматривать как сумму сил, действующих на все электроны проводника длиной l. В результате получаем соотношение

F=F0 n l S , где

F0- сила Лоренца , действующая на электрон,

n- концентрации электронов,

l, S – длина и площадь поперечного сечения проводника.

22. Закон электромагнитной индукции. Определение направления индуцированной ЭДС.

Суть закона электромагнитной индукции, открытого английским физиком М. Фарадеем, заключается в следующем:

Всякое изменение магнитного поля, в котором помещен проводник произвольной формы, вызывает в последнем появление ЭДС электромагнитной индукции.

Направление ЭДС определяется по правилу правой руки:

Правую руку располагают так, чтобы магнитные линии входили в ладонь, отогнутый под прямым углом большой палец совмещают с направлением скорости; тогда вытянутые четыре пальца покажут направление ЭДС.

Магнитное поле

Магнитное поле – особый вид материи. Оно проявляется в действии на движущиеся электрические заряды и тела, которые обладают собственным магнитным моментом (постоянные магниты).

Важно: на неподвижные заряды магнитное поле не действует! Создается магнитное поле также движущимися электрическими зарядами, либо изменяющимся во времени электрическим полем, либо магнитными моментами электронов в атомах. То есть любой провод, по которому течет ток, становится также и магнитом!

Магнит — тело, обладающее собственным магнитным полем.

У магнита есть полюса, называемые северным и южным. Обозначения «северный» и «южный» даны лишь для удобства (как «плюс» и «минус» в электричестве).

Магнитное поле изображается посредством силовых магнитных линий. Силовые линии непрерывны и замкнуты, а их направление всегда совпадает с направлением действия сил поля. Если вокруг постоянного магнита рассыпать металлическую стружку, частицы металла покажут наглядную картину силовых линий магнитного поля, выходящих из северного и входящих в южный полюс. Графическая характеристика магнитного поля — силовые линии.

Характеристики магнитного поля

Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток и магнитная проницаемость. Но давайте обо всем по порядку.

Сразу отметим, что все единицы измерения приводятся в системе СИ.

Магнитная индукция B – векторная физическая величина, являющаяся основной силовой характеристикой магнитного поля. Обозначается буквой B. Единица измерения магнитной индукции – Тесла (Тл).

Магнитная индукция показывает, насколько сильно поле, определяя силу, с которой оно действует на заряд. Данная сила называется силой Лоренца.

Здесь q — заряд, v — его скорость в магнитном поле, B — индукция, F — сила Лоренца, с которой поле действует на заряд.

Магнитный поток Ф – физическая величина, равная произведению магнитной индукции на площадь контура и косинус между вектором индукции и нормалью к плоскости контура, через который проходит поток. Магнитный поток — скалярная характеристика магнитного поля.

Можно сказать, что магнитный поток характеризует количество линий магнитной индукции, пронизывающих единицу площади. Магнитный поток измеряется в Веберах (Вб).

Магнитная проницаемость – коэффициент, определяющий магнитные свойства среды. Одним из параметров, от которых зависит магнитная индукция поля, является магнитная проницаемость.

Так как линии магнитного поля замкнутые, то внутри катушки линии магнитного поля направлены от южного полюса к северному. Для определения направления линии магнитного поля катушки принято правило “Если положить на катушку правую руку так, чтобы четыре пальца ладони были направлены по направлению тока в катушке, то большой, отогнутый на 90°, палец покажет направление линии магнитного поля катушки” .

Величина магнитного поля катушки находится в прямой зависимости от числа витков обмотки, тем больший магнитный поток поля и больше магнитная индукция. Магнитный поток представляется совокупностью всех силовых линий магнитного поля и обозначается буквой Ф. Магнитный поток измеряется в веберах (Вб). Интенсивность магнитного потока оценивается величиной, которая определяется плотностью магнитного потока, и называется магнитной индукцией.

где В — магнитная индукция, S — площадь поперечного сечения магнитного потока. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл).

Величина, определяемая произведением Iw , называется магнитодвижущей силой и обозначается МСД или намагничивающей силой и обозначается :

где w- число витков.

Единицей измерения МДС является ампер. МДС в магнитной цепи аналогично ЭДС источника в электрической цепи.

Намагничивающая сила в созданном ею магнитном поле действуют вдоль линии магнитного потока. Доля намагничивающей силы, приходящейся на единицу длины линии магнитного потока, называется напряженностью магнитного поля и обозначается буквой Н.

Магнитная индукция и напряженность магнитного поля связаны простым соотношением

Где – абсолютная магнитная проницаемость, характеризующая магнитные свойства среды.

Магнитную проницаемость физических тел принято сравнивать с магнитной проницаемостью вакуума, которую называют магнитной постоянной и обозначают Число, показывающее, во сколько раз магнитная проницаемость данного вещества больше магнитной проницаемости вакуума, называется относительной проницаемостью и обозначается. Если необходимо определить магнитную проницаемость какого-либо материала, то сначала по таблице находят его относительную магнитную проницаемость ,которую затем умножают на магнитную постоянную

Магнитный поток определяется формулой; заменив магнитную индукцию В уравнением

Выражаем, стоящее в знаменателе формулы (2.5), называется магнитным сопротивлением:

Из этого выражения видно, что магнитное сопротивление прямо пропорционально длине магнитопровода, обратно пропорционально площади поперечного сечения S и зависит от магнитной проницаемости материала сердечника катушки, аналогично сопротивлению проводника в электрической цепи. Таким образом, формула (2.5) магнитного потока можно записать в таком виде:

Вопросы для самоконтроля

1. Что представляют собой силовые линии магнитного поля прямого проводника с током?

2. Для чего служит правило буравчика? Сформулируйте правило буравчика.

3. Что представляют собой силовые линии магнитного поля катушки с током?

4. Для чего служит правило правой руки? Сформулируйте правило правой руки.

5. Что называется магнитодвижущей силой? В каких единицах измеряется? Запишите формулу магнитодвижущей (намагничивающей) силы.

6. Что называется напряжённость магнитного поля? Как она определяется?

7. Что представляет собой магнитная индукция и как она математически связана с напряженностью магнитного поля ?

8. Чему равна магнитная проницаемость вакуума?

9. Как определить магнитную проницаемость вещества?

10. Какой формулой связаны магнитный поток и магнитная индукция?

11. Запишите формулу, выражающую собой закон Ома для магнитной цепи. Сформулируйте его.

12. Запишите формулу магнитного сопротивления.

Параметры магнитного поля

Напряженность магнитного поля физическая величина, характеризующая его способность оказывать силовое действие на помещенную в данную точку поля единицу магнетизма. (Напряженность магнитного поля величина векторная, характеризуется не только численным значением, но и направлением).

Величину напряженности магнитного поля в конкретной точке определяет закон Био – Савара – Лапласа. Для линейного проводника с током, когда силовые линии будут представлять собой окружности, напряженность в точке удаленной на расстояние R (радиус окружности) от проводника определяется как:

при этом, направление силовых линий определяется правилом буравчика (правоходового винта). При вращении винта по часовой стрелке (по направлению силовых линий поля) направление его линейного перемещения совпадает с направлением тока в проводнике.

В системе СИ единицей напряженности магнитного поля является Ампер деленное на метр [А/м].

Распространение магнитного поля в веществе, зависит от его свойств. Свойство вещества способствовать распространению силовых линий поля называется магнитной проницаемостью μ. Некий объем материала, помещенный в магнитное поле, будет не только проводить его через себя, но и усиливать или ослаблять. В зависимости от величины магнитной проницаемости все вещества делятся на три класса:

Парамагнетики – μ ≈ 1+0,00001>1 – незначительно усиливают магнитное поле (парамагнетики – алюминий, воздух…);

Ферромагнетики – μ >>1 – в сотни, тысячи раз усиливают магнитное поле (ферромагнетики – железо, сталь…, ферромагнетики, помещенные в магнитное поле, намагничиваются (приобретают собственное магнитное поле)).

Относительная магнитная проницаемость μ – величина безразмерная и показывает во сколько раз вещество усиливает или ослабляет магнитное поле относительно вакуума. Магнитная проницаемость вакуума принята за магнитную постоянную μ0 =4π·10 -7 и имеет размерность Генри деленное на метр [Гн/м].

Произведение μ μ0 (иногда обозначается как μа) – называется абсолютной магнитной проницаемостью вещества.

Способность вещества усиливать или ослаблять магнитное поле при замещении вакуума этим веществом называется магнитной индукцией. Это силовая характеристика поля в точке среды. Единица измерения магнитной индукции Тесла [Тл].

Так при размещении в магнитное поле стального изделия все силовые линии будут стремиться сосредоточиться в нем (в стали) и магнитное поле будет усиливаться. Поэтому силовые магнитные линии, распространяющиеся в веществе, еще называют линиями магнитной индукции.

Для обозначения линий магнитной индукции, сосредоточенных и распространяющихся в ферромагнитном сердечнике (магнитопроводе), используют термин – магнитный поток. Если линии магнитной индукции пронизывают выделенный контур площадью s под прямым углом, то магнитный поток, ограниченный контуром будет определяться как произведение магнитной индукции на площадь контура (Рис. 2.2):

Рисунок 2.2 – понятие магнитного потока: определение магнитного потока (а), магнитный поток в замкнутом магнитопроводе (б)

Однако реальные магнитные поля чаще всего неравномерно в пространестве поэтому приведенная формула справедлива только для сердечников катушек, а например в металле формула будет иметь более сложный вид.

Единицей измерения магнитного потока является Вебер [Вб].

Дата добавления: 2019-09-30 ; просмотров: 481 ;

Понятие магнит

Магнит — это тело, которое имеет собственное МП.

Главное качество магнитов — способность притягивать предметы из железа или его сплавов (сталь, чугун).

Магниты делятся на 2 вида:

природные (из магнитного железняка);
искусственные (намагниченные железные полосы).

Постоянные магниты — это тела, которые долгое время создают МП.

Переменные МП и электрические существуют только совместно, так как МП порождает электрическое, а электрическое поле порождает МП.

Область, где качества магнита демонстрируются с наибольшей силой, называются полюсами. Магнит имеет два полюса: северный (N) и южный (S). Два одинаковых поля (N — N) отталкиваются, а противоположные (N — S) — притягиваются.

Если постоянный магнит разделить напополам, то у этих частей окажется также два полюса.