В чем измеряется магнитная индукция в физике

Все магниты разделяются между собой по силе своего воздействия. Таким образом, существует определенная величина, которая характеризует степень проявления силы того или иного магнита. Если быть более точными, то данная сила создается не самими магнитами, а их магнитными полями. Само магнитное поле зависит от векторной величины, которая известна, как индукция магнитного поля или просто магнитная индукция.

Содержание

Формула

Для определения величины электромагнитной индукции используется формула B=F/(I*l), где магнитная индукция В, представляющая собой модуль вектора, определяется, как отношение модуля силы F, воздействующей на проводник с током, расположенным перпендикулярно с магнитными линиями, к значению силы тока I, имеющейся в проводнике и длине l самого проводника.

Зависимость магнитной индукции

На электромагнитную индукцию абсолютно не влияют, ни сила тока, ни длина проводника. Она находится в прямой зависимости и связи, только с магнитным полем. Таким образом, при уменьшении силы тока в проводнике, без изменения каких-либо других показателей, происходит уменьшение не индукции, прямо пропорционально связанной с силой тока, а той силы, с которой магнитное поле воздействует на проводник. При этом, значение самой магнитной индукции остается постоянным. Благодаря этим качествам, электромагнитная индукция выступает в роли количественной характеристики магнитного поля. Измерение магнитной индукции производится в теслах, по формуле: 1 Тл=1 Н/(А*м). Физическую зависимость этой величины от различных факторов, можно определить в ходе проведения несложного эксперимента. Необходимо взять весы, где на одной стороне прикрепляется проводник, а на другой стороне расположены гири. Проводник находится в постоянном электромагнитном поле, при этом, его масса и вес гирь имеют одинаковое значение.

После уравновешивания весов, по проводнику пропускается электрический ток. Вокруг него происходит образование магнитного поля, определяемое в соответствии с правилом правой руки. В результате, наблюдается взаимодействие полей постоянного магнита и самого проводника. При этом, равновесие весов будет нарушено. Из-за протекания тока, сторона весов с проводником начинает опускаться. Для того, чтобы вычислить силу воздействия поля на этот проводник, нужно уравновесить его с помощью гирь. Сила их тяжести рассчитывается по специальной формуле, и будет равняться силе магнитного поля, воздействующей на проводник с током. Соотношение этой силы с длиной проводника и силой тока является постоянной величиной. Данная количественная характеристика находится в зависимости только от поля и представляет собой ни что иное, как модуль вектора магнитной индукции.

Линии магнитной индукции

Сама индукция магнитного поля характеризуется определенным направлением, представляющим собой линии, отображаемые графически. Эти линии, также получили название магнитных линий, или линий магнитных полей. Так же, как и магнитная индукция, ее линии имеют собственное определение. Они представляют собой линии, к которым проведены касательные во всех точках поля. Эти касательные и вектор магнитной индукции совпадают между собой.

Однородное магнитное поле отличается параллельными линиями магнитной индукции, совпадающими с направлением вектора во всех точках.

Закон электромагнитной индукции формула

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Изменение магнитного потока

Магнитный поток

Магнитный двигатель

Измерение напряженности магнитного поля

Магнитная индукция (обозначается символом В) – главная характеристика магнитного поля (векторная величина ), которая определяет силу воздействия на перемещающийся электрический заряд (ток) в магнитном поле, направленной в перпендикулярном направлении скорости движения.

Магнитная индукция определяется способностью влиять на объект с помощью магнитного поля. Эта способность проявляется при перемещении постоянного магнита в катушке, в результате чего в катушке индуцируется (возникает) ток, при этом магнитный поток в катушке также увеличивается.

Явление электромагнитной индукции

Классическое определение этого явления гласит, что оно представляет собой появление упорядоченного движения заряженных частиц в замкнутом проводящем ток контуре (проводнике) при изменении проходящей через него, создаваемой постоянным магнитом совокупности силовых магнитных линий.

На заметку. Впервые обнаружить описываемое в статье явление экспериментальным путем получилось в 1831 году у известного ученого-физика Майкла Фарадея. Для своих опытов он использовал железное кольцо с намотанными с двух противоположных сторон витками медного провода, которые были соединены с гальваническим элементом и магнитной стрелкой. При подключении к первой обмотке гальванического элемента стрелка некоторое время двигалась, после чего останавливалась, после его отключения – плавно возвращалась в первоначальное положение. Подобные движения стрелки позволили предположить, что упорядоченное движение носителей электрических зарядов может возникать под воздействием совокупности силовых магнитных линий, источником которых служит первая обмотка.

image Майкл Фарадей

Читайте также:  Курсы электриков, видеоуроки правильного монтажа проводки

Варианты измерения

Индуктивность катушки в физике определяется путём выполнения вычислений. Однако эту величину можно не только рассчитать, но и измерить. Делается это при помощи прямого или косвенного метода.

Прямой метод

Для измерения индуктивности катушки этим методом необходимо использовать специальные мостовые или прямопоказывающие устройства. С их помощью можно получить максимально точные данные, которые помогут выбрать требуемую катушку для схемы.

Порядок проведения измерений включает в себя следующие этапы:

  1. К прямопоказывающему приспособлению подключают катушку.
  2. После этого постепенно изменяют диапазоны измерений. Это делается до тех пор, пока получаемый результат не будет находиться примерно в середине интервала.
  3. Полученный результат фиксируют и высчитывают с учётом цены деления прибора, а также коэффициента, соответствующего положению переключателя.

image

Прямой метод измерения можно применить и при определении индуктивности с помощью мостового приспособления. Оно имеет более точную шкалу, поэтому позволяет получить достоверные данные.

Измерение выполняют путём проведения таких действий:

  1. Включённый мостовой прибор подсоединяют к катушке, индуктивность которой необходимо определить.
  2. Аналогично прямопоказывающему устройству проводят переключение интервалов измерений.
  3. После каждого такого действия ручку регулятора балансировки моста поочерёдно перемещают в одно и другое предельное положение.
  4. Как только удалось определить диапазон, в котором мост будет сбалансирован, можно выполнять дальнейшие действия.
  5. На следующем этапе измерений выполняется постепенное перемещение стрелочного индикатора.
  6. После того как в динамике прибора исчезнет звук, необходимо зафиксировать показатели.
  7. Затем их рассчитывают в соответствии с ценой деления шкалы и предусмотренным коэффициентом.

Вам это будет интересно Электронный преобразователь напряжения с 12 В на 220 В

Магнитный поток

Что является источником магнитного поля

Данное явление представляет собой совокупность силовых линий, проходящих через определённое сечение проводника или замкнутого токопроводящего контура.

Рассчитывается модуль этой величины Фпо следующей формуле:

Ф= B×S×Cos ​α​, где:

  • В – модуль вектора создаваемой силовыми линиями индукции;
  • S – площадь поверхности​, через которую проходит поток силовых линий;
  • ​α​ – угол между векторами силовых линий индукции и нормали (т.е. перпендикуляром к пронизываемой силовыми магнитными линиями плоскости).

Выводы

Из всего выше прочитанного, можно заключить, что в физике индукция – это многогранное количество явлений, которые могут обнаруживаться в разных областях изучения физики. Данная величина свое выражение находит при помощи ряда векторов. По характеру и природе явления может делиться на магнитную, электростатическую и электромагнитную индукции. Данное свойство тока позволяет рассчитывать множество значений, например, таких, как параметры проводников. Оно выражает ЭДС, лежащее в пределах определенного контура. Изначально явление индукции было гипотезой, которая была возведена в статус теории посредством множества проведенных опытов, подтверждающих и объясняющих суть устройства данного механизма. Также важно знать, что данное явление может носить несколько иной характер, если оно наблюдается в соленоиде. В жизни человека этот механизм является условием, на основе которого строится современная система передачи тока на большие расстояния, а также играет важную роль при создании самой энергии. Понимание индукции и вытекающих из нее следствий, позволяет человеку эксплуатировать ее для достижения личностных производственных целей.

Читайте также:  Как сделать умный дом своими руками: схема и описание

Закон электромагнитной индукции Фарадея

Формула магнитного потока

Данный фундаментальный закон имеет следующую формулировку: при любых изменениях магнитного потока, проходящего через проводящий контур, происходит возникновение электродвижущей силы (сокращенно ЭДС), значение которой прямо пропорционально скорости, с которой изменяется магнитный поток.

Отображением данной закономерности является следующая формула:

Ɛi = – ΔФ/Δt, где:

  • Ɛi – появляющаяся в токопроводящем контуре электродвижущая сила индукции;
  • ΔФ/Δt – скорость, с которой изменяется проходящий через замкнутый контур магнитный поток.

Таким образом, сила индукционного тока, образующегося в токопроводящем замкнутом контуре при воздействии на него электродвижущей силы, будет зависеть от того, с какой скоростью изменяется проходящий через него поток силовых линий магнита.

Векторная форма

В векторной форме этот закон выражается следующей формулой:

rot E= ΔB/Δt.

Согласно этой записи, напряжённость (E) электрического поля индукционного тока возрастает при увеличении скорости изменения потока B с силовыми линиями, пересекающими замкнутый контур.

Потенциальная форма

При помощи векторного потенциала закон электромагнитной индукции имеет следующую запись:

E =ΔA/Δt, где:

  • Е – напряженность электрического поля, порождаемого индукционным током;
  • ΔA/Δt – изменение векторного потенциала магнитного поля, проходящего через замкнутый контур, являющийся частью замкнутой цепи проводника.

Самоиндукция

В этом случае рассматривается ситуация, когда изменение движения электронов порождает ЭДС, вызывающий индукционный ток в этом же проводнике.

Вихревые силовые линии

Где используются разные виды ЭДС

Перемещение проводника в магнитном поле применяют для генерации электроэнергии. Вращение ротора обеспечивают за счет разницы уровней жидкости (ГЭС), энергией ветра, приливами, топливными двигателями.

Принцип действия трансформатора

Различное количество витков (взаимоиндукцию) применяют для изменения нужным образом напряжения во вторичной обмотке трансформатора. В таких конструкциях взаимную связь увеличивают с помощью ферромагнитного сердечника. Магнитную индукцию применяют для возникновения мощной отталкивающей силы при создании ультрасовременных транспортных магистралей. Созданная левитация позволяет исключить силу трения, значительно увеличить скорость передвижения поезда.

Индуктивность

Проходя по контуру, электрический ток способствует образование вокруг него совокупности магнитных силовых линий. Согласно формуле Ф = L×I​, создаваемый магнитом поток Ф пропорционально зависит от силы тока I​.

Таким образом, под индуктивностью L понимают коэффициент соотношения ​ магнитного потока Ф и силы тока I,​ протекающего по контуру. Рассчитывают данную величину по следующей формуле:

L=Ф/I.

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.

Читайте также:  Аккумуляторы для накопления энергии от солнечных батарей

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.

Взаимоиндукция

Резонансная частота: формула

Если две катушки расположены рядом, то в них наводится ЭДС взаимоиндукции, зависящая от геометрии обеих схем и их ориентации относительно друг друга. Когда разделение цепей возрастает, взаимоиндуктивность снижается, так как уменьшается соединяющий их магнитный поток.

Взаимоиндукция

Пусть имеется две катушки. По проводу одной катушки, обладающей N1 витками, протекает ток I1, создающий МП, проходящее через катушку с N2 витками. Тогда:

  1. Взаимоиндуктивность второй катушки относительно первой:

М21 = (N2 x F21)/I1;

  1. Магнитный поток:

Ф21 = (М21/N2) x I1;

  1. Найдем индуцированную ЭДС:

Е2 = — N2 x dФ21/dt = — M21x dI1/dt;

  1. Идентично в первой катушке индуцируется ЭДС:

Е1 = — M12 x dI2/dt;

Важно! Электродвижущая сила, вызванная взаимоиндукцией в одной катушке, всегда пропорциональна изменению электротока в другой.

Взаимную индуктивность можно признать равной:

М12 = М21 = М.

Соответственно, E1 = — M x dI2/dt и E2 = M x dI1/dt.

М = К √ (L1 x L2),

где К – коэффициент связи между двумя индуктивностями.

Явление взаимоиндукции используется в трансформаторах – электроаппаратах, позволяющих изменить значение напряжения переменного электротока. Аппарат представляет собой две катушки, намотанные вокруг одного сердечника. Ток, присутствующий в первой, создает меняющееся МП в магнитопроводе и электроток в другой катушке. Если количество витковых оборотов первой обмотки меньше, чем другой, напряжение увеличивается, и наоборот.

Кроме генерирования, трансформации электроэнергии магнитная индукция применяется в иных устройствах. Например, в магнитных левитационных поездах, которые двигаются не в непосредственном контакте с рельсами, а на несколько сантиметров выше из-за электромагнитной силы отталкивания.

Основные формулы

Основные формулы для явления магнитной индукции указаны на рисунке ниже.

Основные формулы, описывающие явление электромагнитной индукции

Поняв, в чем заключается суть явления электромагнитной индукции, можно разобраться в том, как работают электродвигатели, генераторы. Эти знания, помимо большой теоретической ценности, имеет достаточно полезное практическое применение, позволяя самостоятельно находить, в ряде случаев и устранять, неисправности агрегатов, не прибегая к дорогостоящим услугам специалистов.

Правило Ленца

Формула ЭДС индукции

Описание этого правила базируется на принципах классического закона сохранения энергии. Направление созданного индукцией тока определяет создание поля, препятствующего изменению внешнего магнитного потока. Именно этим объясняется появление минуса в основной формуле Фарадея.

Правило «правой руки» для проводника с током

Поделись знанием: Материал из Википедии — свободной энциклопедии Перейти к: навигация, поиск Не следует путать с явлением электромагнитной индукции.

Магнитная индукция
vec B
Размерность

MT−2I−1

Единицы измерения
СИ

Тл

СГС

Гс

Примечания

Векторная величина

Классическая электродинамика
Электричество · Магнетизм
Электростатика
Закон КулонаТеорема ГауссаЭлектрический дипольный моментЭлектрический зарядЭлектрическая индукцияЭлектрическое полеЭлектростатический потенциал
Магнитостатика
Закон Био — Савара — ЛапласаЗакон АмпераМагнитный моментМагнитное полеМагнитный потокМагнитная индукция
Электродинамика
Векторный потенциалДипольПотенциалы Лиенара — ВихертаСила ЛоренцаТок смещенияУниполярная индукцияУравнения МаксвеллаЭлектрический токЭлектродвижущая силаЭлектромагнитная индукцияЭлектромагнитное излучениеЭлектромагнитное поле
Электрическая цепь
Закон ОмаЗаконы КирхгофаИндуктивностьРадиоволноводРезонаторЭлектрическая ёмкостьЭлектрическая проводимостьЭлектрическое сопротивлениеЭлектрический импеданс
Ковариантная формулировка
Тензор электромагнитного поляТензор энергии-импульса4-потенциал4-ток
Известные учёные
Генри КавендишМайкл ФарадейНикола ТеслаАндре-Мари АмперГустав Роберт КирхгофДжеймс Клерк (Кларк) МаксвеллГенри Рудольф ГерцАльберт Абрахам МайкельсонРоберт Эндрюс Милликен
См. также: Портал:Физика

Магни́тная инду́кцияvec B — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силойvec F магнитное поле действует на зарядq, движущийся со скоростью vec v.

Более конкретно, vec B — это такой вектор, что сила Лоренцаvec F, действующая со стороны магнитного поля[1] на заряд q, движущийся со скоростью vec v, равна

vec F=q[vec v times vec B]
F=qvBsinalpha

где косым крестом обозначено векторное произведение, α — угол между векторами скорости и магнитной индукции (направление вектора vec F перпендикулярно им обоим и направлено по правилу буравчика).

Также магнитная индукция может быть определена[2] как отношение максимального механического момента сил, действующих на рамку с током, помещенную в однородное поле, к произведению силы тока в рамке на её площадь.

Является основной фундаментальной характеристикой магнитного поля, аналогичной вектору напряжённости электрического поля.

В системе СГС магнитная индукция поля измеряется в гауссах (Гс), в системе СИ — в теслах (Тл)

1 Тл = 104 Гс

Магнитометры, применяемые для измерения магнитной индукции, называют тесламетрами.

Основные уравнения

Поскольку вектор магнитной индукции является одной из основных фундаментальных физических величин в теории электромагнетизма, он входит в огромное множество уравнений, иногда непосредственно, иногда через связанную с ним напряженность магнитного поля. По сути, единственная область в классической теории электромагнетизма, где он отсутствует, это пожалуй разве только чистая электростатика.

  • (Здесь формулы приведем в СИ, в виде для вакуума[3], где есть варианты для вакуума — для среды; запись в другом виде и подробности — см. по ссылкам).

В магнитостатике

В магнитостатическом пределе[4] наиболее важными являются:

Магнитное поле — форма материи, посредством которой осуществляется связь и взаимодействие между движущимися электрическими зарядами в вакууме и веществе.

Любой движущийся электрический заряд создает вокруг себя магнитное поле. Механизм магнитных явлений объясняется взаимодействием движущихся электрических зарядов.

Основные свойства магнитного поля:

  • а) магнитное поле создается электрическими зарядами (движущимся зарядами), намагниченными телами (магнитами) и переменным во времени электрическим полем;
  • б) магнитное поле непрерывно в пространстве и действует только на движущиеся электрические заряды (в отличие от электрического поля). Оно также действует на покоящиеся и движущиеся намагниченные тела;
  • в) разноименные полюсы магнитов притягиваются, одноименные — отталкиваются. Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция В.

Магнитная индукция — векторная величина, модуль которой определяется отношением максимального значения силы Fmax, действующей со стороны магнитного поля на прямой проводник с током, к силе этого тока I в проводнике и его длине I:

Единица магнитной индукции: тесла; 1 Тл = 1 Н/(А-м).

Для определения направления вектора магнитной индукции используется ориентирующее действие магнитного поля на малую рамку (контур) с током. За направление действия магнитной индукции В в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная нормаль п к свободно подвешенной рамке с током (замкнутый плоский контур с током), или направление, совпадающее с направлением, указываемым северным полюсом магнитной стрелки, помещенной в данную точку поля (рис. 4.26). Положительное направление нормали п к контуру с током определяется правилом буравчика (или правого винта): положительная нормаль направлена в сторону, куда перемещался бы буравчик с правой резьбой, если рукоятку вращать по направлению тока в контуре (рамке).

Принцип суперпозиции магнитных полей: магнитная индукция В результирующего поля равна векторной сумме магнитных индукций Въ В2,…, В„ складываемых полей, образованных в этой точке каждым полем в отдельности:

где п — число токов, создающих поля.

В частном случае наложения двух магнитных полей, создаваемых двумя проводниками с токами Д и 12, которые текут в одном направлении и направлены перпендикулярно от нас, результирующий вектор В в точке А равен В = Вг + В2, а модуль

магнитной индукции B = + В| -г 2В, В2 cos а, где а — угол

между векторами В] и В2 (рис. 4.27).

Для графического изображения магнитных полей используется представление о линиях магнитной индукции.

Линии магнитной индукции (силовые линии магнитного поля) — воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции В в этих точках.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты, либо идут из бесконечности. Замкнутость линий означает, что в природе отсутствуют свободные магнитные заряды.

Линии магнитной индукции прочерчивают с такой густотой, чтобы число линий, пересекающих единицу поверхности, перпендикулярной к ним, было равно (или пропорционально) величине модуля вектора индукции магнитного поля в данном месте. Поля с замкнутыми силовыми линиями называются вихревыми полями. Заметим, что линии напряженности электростатического поля являются разомкнутыми.

Направление вектора магнитной индукции поля, создаваемого бесконечно длинным прямым проводником с током, определяется правилом буравчика (правилом правого винта): если поступательного движение буравчика с правой резьбой совпадает с направлением тока в проводнике, то направление движения конца рукоятки буравчика укажет направление вектора магнитной индукции (рис. 4.28).

Еще одно правило (правило правой руки) для определения направления вектора магнитной индукции бесконечно длинного прямого проводника с током: мысленно пальцами правой руки обхватить проводник с током так, чтобы большой палец указывал направление тока. Тогда полусогнутые пальцы укажут направление вектора магнитной индукции В.

Магнитная индукция поля, создаваемого бесконечно длинным прямым проводником с током:

Направление вектора магнитной индукции, создаваемого проводником в форме кругового витка с током (рис. 4.29), определяют по правилу правой руки или по правилу буравчика: если направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением тока в витке, то направление его поступательного движения укажет направление индукции магнитного поля.

Магнитная индукция поля в центре кругового витка с радиусом г, по которому протекает ток I:

На рис. 4.30 и 4.31 приведены, соответственно, линии магнитной индукции поля соленоида и поля полосового (постоянного) магнита.

Индукция магнитного поля в центре соленоида (вдали от краев соленоида) равна:

где N — число витков; I — длина соленоида; п = N/1 — число витков на единицу длины соленоида; I — сила тока в одном витке.

Закон Ампера.

Взаимодействие параллельных проводников

Сила Ампера — сила, действующая на прямолинейный проводник с током, помещенный в магнитное поле.

Закон Ампера: модуль силы Ампера равен произведению силы тока I, протекающего в проводнике, на модуль вектора магнитной индукции В, на длину проводника I и на синус угла а между вектором В и проводником с током:

или в векторной форме

Вектор силы Ампера перпендикулярен плоскости, в которой лежит вектор магнитной индукции В и проводник с током.

Модуль силы Ампера FA зависит от составляющей вектора В, перпендикулярной проводнику: ВL = Bsina (рис. 4.32, а). Тогда выражение для силы Ампера примет вид:

Направление силы Ампера подчиняется правилу правого буравчика: при вращении рукоятки буравчика от направления

тока к вектору В по наименьшему углу поступательное движение буравчика происходит в направлении силы РА.

Направление силы Ампера можно определить и по правилу левой руки (рис. 4.32, б): если ладонь левой руки расположить так, чтобы в нее входила перпендикулярная к проводнику составляющая В | вектора индукции В, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление силы Ампера.

Между двумя параллельными прямолинейными проводниками возникает сила взаимодействия: проводники притягиваются друг к другу, если по ним протекают токи и 12 одного направления (рис. 4.33, а), с токами разного направления — отталкиваются (рис. 4.33, б).

Сила взаимодействия двух параллельных проводников

с токами 1Х и /2, расположенных на расстоянии d друг от друга, рассчитанная на отрезок проводника длиною I, выражается формулой (рис. 4.33)

Идентификация магнитного поля производится изображением силовых линий. Количественно оно характеризуется двумя величинами: напряженностью (Н) и магнитной индукцией (В). Значение магнитной индукции – показатель, определяющий силу воздействия на электрозаряды, направленно движущиеся в МП.

Силовые линии МП

Силовые линии МП

Важно! В каждой точке силовой линии магнитного поля векторное направление магнитной индукции В представляет собой касательную к данной линии.

Силовые линии МП

В 1820 г. Эрстед обнаружил, что проводник с проходящим электротоком вызывает слабое отклонение стрелки компаса. Это утверждение противоречило принятому до тех пор мнению, что электричество и магнетизм являются отдельными явлениями.

Куда направлены силовые линии магнитного поля, определяется так:

  1. Для провода с электротоком – согласно правилу правой руки: обхватывая провод рукой, вытянуть большой палец в направлении тока (от «плюса» к «минусу»), оставшиеся пальцы покажут, куда направлены силовые линии;

Применение правила правой руки для провода

Применение правила правой руки для провода

  1. Для проводника кольцевой формы: большой палец переносится вместе с кривизной проводника, чтобы всегда указывать токовое направление. Результирующее МП кольцевого проводника в разных его точках всегда однонаправленно. Например, когда проводник лежит на столе, а ток направлен против часовой стрелки, векторы магнитной индукции внутри контура направлены вертикально вверх, а на внешней стороне – вертикально вниз;

Важно! Силовые эффекты в отдельных точках электропроводника складываются в полное МП, напоминающее форму кольцевого магнита. Этот эффект может быть значительно увеличен путем намотки проводника в катушку.

  1. Для токопроводящей катушки можно определить нахождение «северного» и «южного» полюсов электрического магнита: при обхвате правой рукой соленоидной катушки, сориентировав четыре пальца в сторону тока в витках, отведенный большой палец направится в сторону северного магнитного полюса. Этот полюс соответствует «минусу» постоянного напряжения. Соответственно, векторное направление магнитной индукции в центре катушки также будет определять большой палец.

Применение правила правой руки для соленоида

Применение правила правой руки для соленоида

Взаимосвязь напряженности МП и магнитной индукции

Что является источником магнитного поля

Напряженность МП для прямого провода находим по формуле:

H = I/(2π х r), где:

  • I – проходящий ток,
  • r – дистанция до пункта, в котором определяется напряженность.

Соответственно выражению, Н измеряется в А/м.

Найдем напряженность внутри катушек индуктивностей с количеством витков N при длине L:

Н = (N x I)/L.

Величина магнитной индукции В определяет, сколько силовых линий проходит через определенную область, то есть она характеризует пространственное расположение линий магнитного поля.

Индукция магнитного поля и напряженность соотносятся по формуле:

В = μ0 х Н или Н = 1/μ0 х В.

Здесь μ0 = 1, 256 х 10 (в -6 степени), Гн/м (постоянная магнитного поля (магнитная проницаемость)).

Такое выражение применяется только в вакууме, в хорошем приближении –также в воздухе. Если другой материал находится в магнитном поле, надо обязательно принимать во внимание его магнитную проницаемость, что указывает на то, что силовые линии МП, идущие через материал, сокращаются или вытесняются из одного материала другим.

Тогда для формулы магнитной индукции применяют:

В = μ0 х μ х Н.

Для проницаемости μ существует три разных случая:

  1. В диамагнитных материалах μ меньше 1. При этом индукция магнитного поля внутри вещества немного уменьшается по сравнению с внешним полем. Примеры: медь, цинк, вода, азот;
  2. В парамагнитных веществах μ больше 1, что влияет на индукцию магнитного поля, немного ее увеличивая. Примеры: алюминий, платина, кислород;
  3. В ферромагнетиках μ намного больше 1, поэтому индукция в них, или плотность магнитного потока, значительно возрастает. Примеры: железо, кобальт, никель.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков

Магнитная проницаемость ферромагнетиков

Из этих выражений можно найти магнитную индукцию:

  • для соленоида:

В = μ0 х μ х Н = (μ0 х μ х N x I)/ L.

  • для прямого провода бесконечной длины:

В =  (μ0 х μ х N x I)/(2π х r);

  • для кольцевого проводника с радиусом R:

В =  (μ0 х μ х N x I)/2R.

Сила Лоренца

Аналогично тому, что электроток создает магнитное поле, каждое МП влияет на протекающий ток. Если какая-либо область токоведущего провода расположена в магнитном поле, на подвижные электрозаряды воздействует сила, называющаяся после ее открытия Хендриксом Антоном Лоренцем «силой Лоренца».

На величину этой силы влияют проходящий ток, индукция магнитного поля и угол, который образуют векторное направление магнитной индукции и вектор движения электрозарядов (тока):

  1. Силовая величина наибольшая, если проводник ориентирован перпендикулярно магнитному полю;
  2. Если электрозаряды движутся параллельно МП, сила не действует.

Важно! Сила Лоренца всегда имеет направление, взаимно перпендикулярное векторным направлениям движения электрозарядов и магнитному полю.

Для определения силы Лоренца используется правило правой руки: когда большой палец показывает направление электротока (от «плюса» к «минусу»), а указательный палец фиксируется в направлении магнитного поля, то средний палец, вытянутый в перпендикулярную от ладони в сторону, зафиксирует направление силы Лоренца.

Направление силы Лоренца

Направление силы Лоренца

Для выполнения расчета силы Лоренца, действующей на заряд q, движущийся в МП с индукцией В со скоростью v, применяется формульное выражение:

  • F = q x v x B, если заряд движется перпендикулярно МП;
  • F = q x v x B х sin α, когда существует угол между МП и векторным направлением движения заряда.

Если имеется контур с током, который располагается в однородном МП, значение В определяется на основании формулы:

B = M/ (I x S), где:

  • I – ток,
  • S – площадь поверхности контура,
  • М – момент силы.

Под силой здесь понимается сила Ампера, действующая на проводник в МП.

В чем измеряется величина магнитной индукции, иллюстрирует это же выражение:

Н х м/А х кв.м = Н/А х м = 1 Тл (тесла).

Нашли определение единичного значения магнитной индукции: это индукция МП, где на контур, имеющий площадь 1 кв.м с протекающим током в 1 А, действует момент силы 1 Н х м

Для системы СГС применяется гаусс (Гс).

Применение силы Лоренца

Плотность энергии магнитного поля

Сила Лоренца может быть использована для измерения удельного заряда частицы Q/m (соотношение заряда и массы). Для этой цели частица (или пучок) должна войти в МП со скоростью v перпендикулярно линиям МП.

Если заряженная частица, например, ион или электрон, движется в горизонтальной плоскости, а МП является вертикальным, то ее скорость всегда перпендикулярна МП даже при отклонении под воздействием силы Лоренца. В вакууме, при отсутствии сил трения, скорость остается постоянной. Сила Лоренца заставляет частицу проходить по круговой траектории.

Когда известны индукция В и скорость входа частицы v, то можно измерить удельный заряд путем измерения радиуса круговой траектории:

Q/m = v/ (r x B).

Такое устройство называется масс-спектрометром.

Масс-спектрометр

Масс-спектрометр

Другое применение – в датчиках Холла, служащих для бесконтактного измерения тока в проводах и локаторах и для измерения скорости в транспортных средствах и турбинах.

Видео

Формула магнитного потока

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий