Тезаурус по теме «МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ»

1. Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами. Впервые термин «Магнитное поле» ввел в 1845 г. Майкл Фарадей.

Основные свойства магнитного поля:

1). Магнитное поле материально, т.е. существует независимо от наших знаний о нем.

2). Магнитное поле порождается только движущимся электрическим зарядом: вокруг любого движущегося заряженного тела существует магнитное поле. (Магнитное поле может быть создано и магнитом, но и там, причиной появления поля является движение электронов.)

3). Обнаружить магнитное поле можно по действию на движущийся электрический заряд (или проводник с током).

4). Магнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

2. Силовой характеристики магнитного поля является вектор индукции магнитного поля . Силовое действие магнитного поля может обнаруживаться по действию на прямолинейный проводник с током и по вращающему действию на замкнутый контур.

При исследовании магнитного поля с помощью прямолинейного проводника с током магнитная индукция определяется следующим образом: модуль вектора индукции магнитного поля можно определить как отношение максимальной силы, с которой магнитное поле действует на проводник единичной длины, к силе тока в этом проводнике: .
В СИ единицей индукции магнитного поля является 1 Тл (Тесла): 1 Тл = 1 Н/(1 А ⋅ 1 м).

Для определения направления вектора индукции нужно расположить прямолинейный проводник в магнитном поле следующим образом: четыре пальца левой руки расположим по направлению тока в проводнике, а большой палец, отогнутый в плоскости ладони под прямым углом к остальным четырем пальцам,— по направлению вектора силы. Тогда вектор индукции будет входить перпендикулярно в плоскость ладони (рис. 1).

При исследовании магнитного поля с помощью контура с током за направление вектора магнитной индукции в том месте, где расположена рамка с током, принимают направление перпендикуляра к плоскости, в которой устанавливается свободно вращающаяся рамка с током (рис. 2). Вектор индукции направлен в ту сторону, куда перемещался бы буравчик (правый винт) при вращении по направлению тока в рамке (рис. 3).

Модуль вектора индукции равен отношению максимального момента сил, действующего на рамку с током со стороны магнитного поля, к величине силы тока в рамке и ее площади: .

Для определения направления вектора индукции магнитного поля, созданного магнитами, используют свободную магнитную стрелку: вектор индукции магнитного поля направлен от южного S полюса стрелки (свободно вращающейся в магнитном поле) к северному N (рис. 4).

3. Для магнитного поля, так же как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: если магнитное поле в данной точке пространства создается несколькими движущимися зарядами, то индукция результирующего поля равна векторной сумме индукций полей, созданных каждым движущимся зарядом в этой точке:

4. Графически магнитные поля изображаются с помощью специальных линий, называемых линиями индукции магнитного поля. Касательная к любой линии в каждой точке направлены вдоль вектора индукции магнитного поля. Свойства линий индукции, с одной стороны, сходны со свойствами силовых линий электростатического поля — они не пересекаются, не прерываются, густота линий больше там, где модуль вектора больше. С другой стороны есть отличия — линии индукции магнитного поля всегда замкнуты, т.е. магнитное поле является вихревым.

Если во всех точках некоторой части пространства вектор индукции магнитного поля имеет одинаковое значение по модулю и одинаковое направление, то магнитное поле в этой части пространства называется однородным (рис. 6).

По аналогии с электрическим полем для силовой характеристики поля используют такой параметр как напряженность , вектор которой в любой точке поля параллелен вектору магнитной индукции . Количественно напряженность и индукция связаны соотношением: или . Т.о., напряженность характеризует потенциальную способность тока, создающего поле совершать силовое воздействие на другие токи независимо от среды, в которой он находится.

5. Магнитное поле, характеристики которого с течением времени не изменяются, называется постоянным.

Примеры постоянных магнитных полей.

1). Поле прямолинейного проводника. Линии магнитной индукции магнитного поля прямого проводника с током представляют собой окружности, лежащие в плоскостях, перпендикулярных проводнику. Центры окружностей находятся на оси проводника. Направление вектора магнитной индукции в этом случае определяется следующим правилом. Если смотреть вдоль проводника по направлению тока, т. е. по направлению движения положительных зарядов, то вектор магнитной индукции направлен по ходу часовой стрелки (рис. 7).

Модуль вектора индукции на расстоянии d от проводника равен: ,
где - магнитная проницаемость вещества;
- магнитная постоянная.

2). Поле витка с током. Вектор магнитной индукции перпендикулярен плоскости витка и направлен, в соответствии с правилом правого винта (правилом «буравчика») в ту сторону, куда перемещался бы правый винт при вращении его по направлению тока в витке (рис. 8).

Модуль вектора индукции в витке радиуса R равен: .

3). Поле соленоида (катушки) с током. Линии индукции магнитного поля, созданного катушкой с током, показаны на рисунке 9. Вектор магнитной индукции входит в катушку с той стороны, с какой направление тока в витках катушки представляется соответствующим ходу часовой стрелки.

Модуль вектора индукции в катушке равен: ,
где N – число витков в катушке, L – длина катушки,
n - число витков, приходящихся на единицу длины.

6. Сила, с которой магнитное поле действует на прямой проводник с током, называется силой Ампера.

 

При расположении проводника с током под углом α к вектору магнитной индукции модуль силы Ампера равен: , где B – модуль вектора магнитной индукции, I - сила тока в проводнике длиной l (закон Ампера).

Направление вектора силы Ампера определяется правилом левой руки: расположим левую руку так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в проводнике. Затем установим ладонь перпендикулярно плоскости, в которой лежит вектор магнитной индукции. Вектор должен входить в ладонь. Тогда отогнутый под прямым углом в плоскости ладони большой палец укажет направление вектора силы Ампера (см. рис. 1).

В соответствии с этим правилом, проводники с сонаправленными токами будут отталкиваться, а с противоположно направленными – притягиваться.

7. 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.

Модуль сила Лоренца определяется соотношением: ,
где Q – положительный заряд, движущийся со скоростью V под углом α к вектору магнитной индукции B.

Для положительно заряженной частицы направление вектора силы Лоренца определяется правилом «левой руки» (рис. 10.), для отрицательной берется вектор противоположного направления.

 

Под действием силы Лоренца электрические заряды в магнитном поле движутся по криволинейным траекториям.

Если направление скорости перпендикулярно вектору магнитной индукции, то частица будет двигаться по окружности радиуса R (рис. 11):

, где m – масса, Q – заряд частицы.

Период обращения частицы .

 

Если скорость движения заряженной частицы направлена под углом α к вектору магнитной индукции, то частица будет двигаться по спирали радиуса R с шагом f (рис. 12):

, , где - нормальная и - тангенциальная составляющая скорости.

 

8. Значение магнитной индукции зависит от среды, в которой существует магнитное поле. Следовательно, магнитная индукция характеризует магнитное поле с учетом намагнчивания данной среды. Вещества, способные менять параметры магнитного поля называются магнетиками.

Отношение магнитной индукции В поля в данной среде к магнитной индукции В₀ в вакууме, характеризует магнитные свойства данной среды и называется магнитной проницаемостью вещества µ. Магнитные свойства всех веществ определяются замкнутыми электрическими токами внутри них.

По значению µ все вещества делятся на три группы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики.

 

диамагнетики	парамагнетики	ферромагнетики
µ < 1	µ > 1	µ >> 1
Cu, Ag, инертные газы	Na, Mg, Al, кислород, растворы солей и другие.	Fe, Co, Ni, сплавы

 

9. Поток вектора магнитной индукции (магнитный поток) через некоторую поверхность – это скалярная величина, пропорциональная числу линий магнитной индукции, пронизывающих эту поверхность: , где S – площадь поверхности, - угол между нормалью к плоскости поверхности и вектором индукции поля (рис. 13). Единица измерения магнитного потока 1Вб (вебер).

 

 

10. Явление электромагнитной индукции заключается в том, что при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего замкнутый проводящий контур, в контуре наводится ЭДС и возникает индукционный ток.

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея): величина ЭДС индукции пропорциональна скорости изменения магнитного потока: .

При равномерном или небольшом изменении магнитного потока можно воспользоваться соотношением: . Если проводящий контур состоит из нескольких витков, то .

Величина индукционного тока в контуре сопротивление R определяется по закону Ома: .

Знак «–» в законе Фарадея поставлен в соответствии с правилом Ленца: направление индукционного тока всегда таково, что его собственное магнитное поле препятствует изменению магнитного потока пронизывающего контур.

При движении незамкнутого прямого проводника в магнитном поле на его концах возникает разность потенциалов: , где - скорость движения проводника, - угол между векторами скорости и индукции магнитного поля.

11. Явление самоиндукции – это возникновение ЭДС индукции в каком либо замкнутом контуре при изменении силы тока, текущего в этом же контуре. В цепях постоянного тока ЭДС самоиндукции возникает при замыкании и размыкании цепи.

Величина ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения силы тока в контуре: , где L – коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью.

12. Индуктивность контура зависит от его формы и размеров, а также от магнитной проницаемости среды, в которой находится контур. Единица измерения индуктивности!Гн (генри).

Индуктивность соленоида определяется соотношением: ,

где S – площадь одного витка соленоида;
l – длина соленоида; N – число витков;
- магнитная проницаемость материала сердечника.

13. Энергия магнитного поля, созданного проводником с током может быть выражена через параметры этого проводника .