Магнитное поле. Тема 3.3

1.

3.3
Магнитное поле
Магнитным полем называют вид материи, посредством
которого
осуществляется
силовое
воздействие
движущие
электрические
заряды
и
другие
на
тела,
обладающие магнитным моментом.
Установлено
существование
двух
родов
магнитных
полюсов - “северный” и “южный” полюса.
Одноименные
магнитные
полюса
отталкиваются,
а
разноименные притягиваются.
Разделить
их
нельзя.
Каждый
фрагмент
разделенного
магнита имеет два полюса – южный и северный.

2.

3.

Земля является большим естественным магнитом, а
стрелки
компаса
указывают
направления
к
его
полюсам.
Существует магнитное поле Земли, оно не остается
постоянным. Через 150000 лет (среднее время за
последние
30
млн.
лет)
происходит
инверсия
магнитных полюсов.
Магнитные поля существуют у ряда планет солнечной
системы: Меркурия, Марса, Юпитера, Сатурна. У
Венеры и Луны магнитное поле отсутствует

4.

3.3.1 Опыт Эрстеда
В 1820 г. Хансом Эрстедом при демонстрации на
лекции в Копенгагенском университете опыта по
нагреванию проводника электрическим током было
сделано открытие.
При отсутствии тока в проводнике расположенного
параллельно стрелке компаса, он расположен вдоль
магнитного поля Земли.

5.

При
включении
тока
магнитная
стрелка
отклонилась почти перпендикулярно проводнику,
что говорило о возникновении дополнительного
магнитного поля, созданного током. Изменения
направления тока сопровождалось отклонением
стрелки в противоположную сторону, что означало
изменение магнитного поля.
Следовательно, магнитное поле порождается
движущимися зарядами.

6.

7.

3.3.2 Вектор магнитной индукции
Магнитное
поле
характеризуется
векторной
величиной - вектором магнитной индукции B .
Единица магнитной индукции B - Тесла:
Н
1 Тл = 1 А м
Для определения направления вектора созданного
вокруг проводника с током, следует использовать
любое из приведенных правил.

8.

Правило буравчика (правого винта, штопора) для
прямого тока:
Если ввинчивать буравчик по направлению тока в
проводнике, то направление скорости движения конца
его рукоятки в данной точке совпадает с направлением
вектора магнитной индукции
в этой точке
B.
Правила правой руки для прямого тока:
Если
охватить
проводник
правой
рукой,
направив
отогнутый большой палец по направлению тока, то
кончики остальных пальцев в данной точке покажут
направление индукции в этой точке.

9.

10.

Магнитное поле графически изображают с
помощью
линий
касательные
к
магнитной
которым
направление вектора
индукции,
показывают
B . Линии не имеют
ни начала, ни конца – т.е. замкнутые.
Соответственно, магнитное поле – вихревое.

11.

12.

Для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции:
Магнитная индукция результирующего поля, создаваемого
несколькими токами, равна векторной сумме магнитных
индукций складываемых полей
i=n
B Bi
i=1
Однородное магнитное поле - во всех точках
поля
вектор магнитной индукции имеет одно и то же значение.
Стационарное магнитное поле
которое не меняется во времени.
- это магнитное поле,

13.

Магнитные
свойства
веществ
объясняются
существованием внутри этих веществ электрического
тока.
Считается,
что
магнитное
поле
может
создаваться
макроскопическими и микроскопическими токами.
Макроскопические
токи
-
это
токи,
текущие
в
проводнике.
Микроскопические
токи
обусловлены
движением
электронов в атомах и молекулах.
Вектор
магнитной
индукции
B
характеризует
результирующее магнитное поле, создаваемое в веществе
всеми макроскопическими и микроскопическими токами.

14.

3.3.3 Вектор напряженности магнитного
поля
Магнитное поле макротоков описывается вектором
напряженности H .
Эксперимент:
B o H
,
где
μ
-
магнитная
проницаемость
среды
(безразмерная величина), она показывает, во сколько
раз
магнитное
поле
макротоков
усиливается
(ослабляется) за счет микротоков среды (для вакуума
μ=1), μ0 = 12,56∙10-7 Гн/м - магнитная постоянная.

15.

3.3.4 Сила Ампера, закон Ампера
В 1820 г. Ампер установил, от каких физических
величин зависит сила, действующая на проводник с
током и куда она направлена.
Сила,
с
которой
помещенный
в
магнитное
него
поле
проводник
с
действует
током,
на
равна
произведению силы тока, модуля вектора магнитной
индукции, длины отрезка проводника и синуса угла
между направлениями тока и магнитной индукции:
F I B L sin

16.

17.

18.

Сила Ампера F определяется по правилу левой руки:

19.

3.3.5 Сила Лоренца
Экспериментально было установлено, что:
На электрический заряд q, движущийся в магнитном
поле B со скоростью v, со стороны магнитного поля
действует сила Лоренца
F q v B sin
v – ее скорость,
α - угол между векторами v и B .
Сила Лоренца направлена перпендикулярно к
векторам v и
B.

20.

Сила Лоренца F определяется по правилу левой руки:
Если кисть левой руки расположить так, что четыре
вытянутых пальца указывают направление скорости
положительного
заряда
(или
противоположное
скорости отрицательного заряда), а вектор магнитной
индукции входит в ладонь, то отогнутый (в плоскости
ладони) на 90° большой палец покажет направление
силы, действующей на данный заряд.

21.

22.

3.3.6 Закон Био-Савара-Лапласа
Био
и
Савар
исследовали
экспериментально
магнитные поля токов различной формы.
Лапласу удалось найти путем обобщения опытных
данных
такой
примененный
элементарный
к
участкам
закон,
контура
который
с
током
произвольной формы дает значение результирующей
индукции поля.

23.

Магнитная
индукция
поля
dB,
создаваемого
проводником длины dL, по которому идет постоянный
электрический ток I, удовлетворяет закону БиоСавара-Лапласа
o IdLsin
dB=
4
r2
r – расстояние от проводника в точку, где создается
поле, r - радиус-вектор, проведенный от проводника к
точке наблюдения, μo - магнитная постоянная,
μ
-
магнитная проницаемость среды, α - угол между
векторами
j
и
r
.

24.

3.3.7 Энергия магнитного поля
Проводник, по которому течет ток, всегда окружен магнитным
полем, причем магнитное поле появляется и исчезает вместе с
током.
Под энергией магнитного поля понимается работа, которая
затрачивается током на создание этого поля.
Если проводник обладает индуктивностью L и по нему течет ток I,
то работа по созданию магнитного поля есть
LI 2
A=
2
Следовательно, энергия магнитного поля, связанного с таким
проводником, равна
LI
W=
2
2

25.

3.3.8 Теория Максвелла
Теория
Максвелла
является
обобщением
основных
законов
электрических и магнитных явлений.
В ее основе лежат четыре экспериментальных факта:
•Существуют изолированные электрические заряды.
•Отсутствуют изолированные магнитные заряды.
•Источниками
электрического
поля
являются
либо
электрические заряды (неподвижные или движущиеся), либо
изменяющиеся во времени магнитные поля.
•Источниками магнитного поля являются либо движущиеся
электрические
поля.
заряды,
либо
переменные
электрические