Магнитосфера

1.

ФИЗИКА

2. Лекция

• 1. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции В.
• 2. Закон Ампера
• 3. Закон Био - Савара –Лапласа
• 4. Магнитное поле прямого проводника с током,
кругового тока, соленоида
• 5. Сила Лоренца.
• 6.Электромагнитная индукция

3.

1. Магнитные явления
Магнитные явления были известны еще в древнем
мире.
Первое в Европе опытное исследование магнита было
проведено во Франции в XIII в. В результате было
установлено наличие у магнита двух полюсов.
В 1600 г. Гильбертом была выдвинута гипотеза о том, что
Земля представляет собой большой магнит: этим и
обусловлена возможность определения направления с
помощью компаса.
.
Однако только в XIX веке была обнаружена связь между
электричеством
и
магнетизмом
и
возникло
представление о магнитном поле.

4. Опыты Эрстеда

• Первыми опыты, показавшие связь между
электрическими и магнитными явлениями
были проведены датским физиком Х.
Эрстедом (1820 г.).
• Эти опыты показали, что на магнитную стрелку,
вблизи проводника с током, действуют силы
стремящиеся повернуть стрелку.

5. Магнитное поле

• Особая материальная среда, в которой
проявляется воздействие на физические приборы
(магнитную стрелку, рамку с током), называют
магнитным полем.
• Магнитное поле создается:
– Движущимися зарядами или заряженными телами
– Проводниками с током
– Намагниченными телами

6. Магнитное поле

• Магнитное
поле
имеет
направление
и
должно
характеризоваться
векторной величиной.
• Основной силовой характеристикой магнитного поля
является
магнитная
индукция
B [Тесла]
• Тесла – очень крупная единица.
• Магнитное поле Земли
приблизительно равно
50· мкТл

7. Силовые линии магнитного поля

Линии
магнитной
индукции
всегда
замкнуты,
они
нигде
не
обрываются.
Это
означает,
что
магнитное
поле
не
имеет источников – магнитных зарядов.
Касательная к этим линиям в каждой точке совпадает с
направлением
вектора
В,
а
густота
линий
пропорциональна модулю вектора В в данном месте

8. Принцип суперпозиции

• Магнитное поле подчиняется принципу
суперпозиции:
• Если магнитное поле создается несколькими
источниками (проводниками с током или
движущимися зарядами), то индукция B
результирующего поля есть векторная сумма
индукций полей, создаваемых каждым
источником в отдельности.
B Bi
i

9. 2. Опыты Ампера

• В течение сентября 1820 г. французский физик,
химик и математик А.М. Ампер разрабатывает
новый раздел науки об электричестве электродинамику.

10. Опыты Ампера

• Электрические токи взаимодействуют между собой: два
тонких проводника притягиваются, если токи в них
имеют одинаковое направление, и отталкиваются, если
направления токов противоположны.
dF 0 2I1I2
dl 4 R

11. Сила Ампера

• Сила, действующая на элемент тока в магнитном
поле
dF I [dl , B]

12.

Сила Ампера
Гн
0 4 10 [ ]
м
1
2
c
0 0
7
1 Ампер – сила постоянного тока, который, проходя по
двум
параллельным
бесконечно
длинным
проводникам, расположенным на расстоянии 1 м друг
от друга, вызывает
силу взаимодействия между
проводниками 2*10-7 Н на каждый метр длины.

13. Магнитное поле движущегося заряда

0
B
4
0
B
4
q[Vr ]
3
r
qV
2 sin
r
r
q
B
V

14. 3. Закон Био-Савара-Лапласа,1820 г.

Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем
проводники с током.
Магнитное поле постоянных магнитов также создается
электрическими микротоками, циркулирующими внутри
молекул.
Магнитное поле,
создаваемое линейным
элементом тока имеет вид:
0 I dl, r
dB
3
4
r

15. 4. Магнитное поле бесконечного прямого тока

I
B
0 I
B
2 r
r

16. Магнитное поле кругового тока

Магнитная индукция
на оси кругового тока:
B(z)
0
B
dBz
2
RI
2 z +R
2
z
dB
r
2 32
R
B(z=0)
0 I
2 R
I
dl

17. Магнитное поле соленоида

Пусть ток I течет по проводнику, намотанному
на
поверхность цилиндра. Такой, обтекаемый током цилиндр
называется соленоидом. На единицу длины соленоида
приходится n витков проводника.
Если шаг винтовой линии достаточно мал, то каждый
виток
соленоида
можно
приближенно
заменить
замкнутым витком.
B 0 nI
Произведение nI
называют
числом ампервитков.

18. 5.Сила Лоренца

• На заряд, движущийся в магнитном поле, действует
сила, которая определяется величиной заряда q,
скоростью V и
индукцией магнитного поля В.
F q[VB]
• Это соотношение можно рассматривать, как
определение индукции магнитного поля. Если
имеются одновременно электрическое поле, то
F qE q[VB ]
• Это выражение получено Лоренцем путем обобщения
экспериментальных данных и называется силой
Лоренца. Она состоит из электрической и магнитной
составляющих.

19. Частица в магнитном поле

частица движется
по окружности
Заряженная частица
движется в однородном МП
под действием FЛ
m 2
q B
R
ее скорость лежит
в плоскости, вектору
магнитной индукции В
F ma
m
R
qB
Период обращения частицы
в однородном МП
2 R
2 m
T
qB
Для заряженных частиц
заданной массы период
обращения НЕ зависит
от скорости и радиуса
траектории
!
Круговое движение
заряженной частицы
в однородном МП

20. Практическое использование

Циклотронная
частота
qB qB
R
m m
НЕ зависит от скорости, т.е и от
кинетической энергии частицы
Электроннолучевая трубка
Ускорители
заряженных
частиц
!
Движение заряженных
частиц в вакуумной
камере циклотрона
Селектор
скоростей
и массспектрометр

21. 6. Электромагнитная индукция

• В 1831 г. Фарадей обнаружил,
что в замкнутом проводящем
контуре при изменении потока
магнитной индукции через
поверхность, ограниченную
этим контуром, возникает
электрический ток.
• Это явление называют
электромагнитной индукцией,
а возникающий при этом ток –
индукционным.

22. Электромагнитная индукция

• Действуя чисто эмпирически,
Фарадей смог 17 октября 1831 г.
обнаружить
явление
электромагнитной
индукции:
возникновение
в
цепи
электрического
тока
при
изменении внешнего магнитного
поля.
• Успех принес опыт, кажущийся
сейчас
тривиальным:
вокруг
металлического кольца обвивалось
два отдельных витка провода: по
одному из них, соединенному с
батареей,
пропускался
электрический ток. Целью ученого
было выяснить, не возникнет ли ток в
«мертвом»
проводе
под
воздействием «живого».
Майкл Фарадей

23. Закон электромагнитной индукции Фарадея

ЭДС электромагнитной индукции в контуре
равна скорости изменения магнитного
потока, охватываемого этим контуром:
ЭДСиндукции
d
dt

24. Магнитный поток

dФB BdS BdS cos Bn dS
ФВ dФ BdS cos
S
Ф Тл м
S
2
Вб

25. Правило Ленца

Индукционный ток направлен так, чтобы его
магнитное поле противодействовало породившей
его причине.
BdS
S
d
0 инд 0
dt
Индукционный ток
по часовой стрелке
Bинд B

26. Явление самоиндукции

Электрический ток, текущий в любом контуре,
создает пронизывающий этот контур
магнитный поток
• При изменении силы тока в контуре изменяется и Ф,
вследствие чего в контуре индуцируется ЭДС. Это
явление называется самоиндукцией.
LI
d ( LI )
dI
ЭДС сам оинд
L
dt
dt
L индуктивность [ Гн]

27. Индуктивность соленоида

• L – длина соленоида, считается очень
большой, S – площадь поперечного
сечения, n – число витков на единицу
длины. Тогда
N 1 nlBS nl 0 nIS
L 0 n Sl 0 n V
2
• Где V – объем соленоида.
2