🗊Презентация Магнитное поле и его характеристики

ЛЕКЦИЯ №2 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКИ

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ – одна из форм проявления электро-магнитного поля, отличающаяся тем, что действует только на движущиеся электрически заряженые частицы и тела, на проводники с током и тела обладающие магнитным моментом. Электрическое поле действует как на непод-вижные, так и на движущиеся электрические заряды. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ создается проводниками с током, движущимися электрически заряженными частицами и телами с магнитным моментом, отличным от нуля.

Все постоянные магниты имеют два разноимен-ных полюса: северный и южный. Все постоянные магниты имеют два разноимен-ных полюса: северный и южный. Одноименные полюса взаимно отталкиваются, а разноименные взаимно притягиваются. Существует магнитное поле Земли, обусловлен-ное, в основном, процессами происходящими в жидком ядре Земли. Магнитные полюса Земли не совпадают с географическими (северный маг-нитный находится около южного географическо-го), угол между осью вращения Земли и линией соединяющей магнитные полюса 11,5°.

Между двумя движущимися друг относительно друга заря-женными частицами существуют и электрическое, и магнитное взаимодействия. Опыты показывают, что сила Fмаг, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся в этом поле заряженную частицу, подчиняется следующим закономерностям: сила Fмаг всегда перпендикулярна вектору скорости υ частицы; отношение Fмаг/(|q| υ) не зависит ни от заряда q частицы, ни от модуля ее скорости; при изменении направления скорости частицы модуль силы Fмаг изменяется от 0 до максимального значения (Fм)макс, кото-рое зависит от значения силовой характеристики магнитного поля – вектора В, называемого магнитной индукцией поля. Для графического изображения стационарного, т. е. не изме-няющегося со временем, магнитного поля пользуются мето-дом линий магнитной индукции (силовых линий магнит. поля).

Линии магнитной индукции можно наблюдать с помощью мелких игольчатых железных опилок, которые намагничиваются в исследу-емом поле и ведут себя подобно маленьким магнитным стрелкам. Направление линий магнитной индукции определяется по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик по направлению вектора плотности тока в проводнике, то направление движения рукоятки буравчика укажет направление линий магнитной индукции . Линии индукции магнитного поля ни в каких точках не могут обрываться: они либо замкнуты, либо уходят в бесконеч-ность. Касательная к линии индукции магнитного поля совпадает по направлению с вектором магнитной индукции В в этой точке.

Магнитной индукцией В называется векторная физическая величина численно равная максимальной силе (Fм)макс, дей-ствующей со стороны магнитного поля на единичный заряд, движущийся со скоростью υ=1 м/с. В= (Fм)макс/(|q| υ) (2.1) Магнитной индукцией В называется векторная физическая величина численно равная максимальной силе (Fм)макс, дей-ствующей со стороны магнитного поля на проводник единич-ной длины при токе в нем I=1A. B= (Fм)макс/(I∙l) (2.2) Магнитной индукцией В называется векторная физическая величина численно равная максимальному вращающему мо-менту (Мм)макс, действующему со стороны магнитного поля на замкнутый контур с током с магнитным моментом рm=1 А∙м2. B= (Мм)макс/рm (2.4)

МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ – векторная величина, характеризующая магнитные свойства тел и частиц тела, для плоского замкнутого электри-ческого контура численно равная произведе-

СИЛА ЛОРЕНЦА. ЗАКОН АМПЕРА. В общем случае сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся в нем заряженную частицу (магнитная составляющая силы Лоренца), определяется по формуле: (2.6) (2.7) где α- угол между векторами и . Сила направлена перпендикулярно скорости заряженной частицы и сообщает частице только нормальное ускорение. Эта сила не совершает работы и вызывает лишь искривление траектории частицы. Поэтому при движении свободной заря-женной частицы в магнитном поле ее кинетическая энергия не изменяется. (2.8)

Разделение силы Лоренца на электрическую и магнитную составляющие относительно, т. е. эти составляющие зависят от выбора инерциальной системы отсчета. При переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой изменяются не только скорость заряженной частицы, но также и си-ловые характеристики и . Соответственно разделение электромагнитного поля на электрическое и магнитное поля тоже относительно. На проводники с электрическим током, находящиеся в магнитном поле, действуют силы Ампера. Сила Ампера dF, приложенная к малому элементу провод-ника с током I, равна геометрической сумме сил, которые действуют со стороны магнитного поля на движущиеся в про-воднике носители тока. (2.9)

Формула (2.9) выражает закон Ампера: Сила, действующая на элемент проводника с током в магнит-ном поле, равна произведению силы тока на векторное произ-ведение элемента длины проводника на магнитную индук-цию поля. dF=I∙dl∙B∙sinα (2.10) Сила Ампера, действующая в магнитном поле на проводник конечной длины l с током I , равна геометрической сумме сил Ампера, действующих на все малые элементы этого проводника: (2.11)

Магнитное поле оказывает ориентирующее действие на зам-кнутый проводящий контур, по которому идет постоянный электрический ток. Результирующий вращающий момент М, действующий на рамку (контур) с током, равен моменту пары сил: М=I∙a∙b∙B∙sinβ =I∙S∙B∙sinβ =pm∙B∙sinβ . (2.12) (2.13) Если контур с током находится в неоднородном магнитном поле, то действие сил Ампера на контур не сводится только к результирующему вращающему моменту (2.13). В этом случае на контур действует еще и результирующая сила:

(2.14) где интегрирование проводится по всем участкам замкнутого контура L с током I. Направление силы Ампера, как и силы Лоренца, определяется по правилу «левой руки».

НАПРЯЖЕННОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Ампер (1775-1836) предположил, что в любом теле су-ществуют микроскопические токи обусловленные дви-жением электронов в атомах и молекулах. Эти микро-токи обладают собственными магнитными моментами и создают своё магнитное поле. Если вблизи тела поместить проводник с током (макро-ток), то под действием его магнитного поля, микротоки во всех атомах определенным образом ориентируются, создавая в теле дополнительное магнитное поле. Маг-нитная индукция характеризует результирующее маг-нитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками. То есть: при одном и том же токе и равных условиях,в различных средах значения вектора магнитной индук-ции будут иметь различные значения.

Магнитное поле макротоков описывается ВЕКТОРОМ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ . Для однород-ной изотропной среды вектор магнитной индукции свя-зан с вектором напряженности соотношением: Магнитное поле макротоков описывается ВЕКТОРОМ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ . Для однород-ной изотропной среды вектор магнитной индукции свя-зан с вектором напряженности соотношением: (2.15) – магнитная постоянная. – магнитная проницаемость среды, показывающая во сколько раз магнитное поле макротоков усилива-ется за счет магнитного поля микротоков среды. Сравнивая векторные характеристики электростатическо-кого и магнитного полей, можно заметить что аналогом вектора электрического смещения явля-ется вектор напряженности магнитного поля , а ана-логом вектора напряженности электрического поля , является вектор магнитной индукции .

ЗАКОН БИО – САВАРА – ЛАПЛАСА Магнитное поле постоянного тока изу-чалось французами Био (1774-1862) и Саваром (1791-1842), Лапласом резуль-таты их экспериментальных исследова-ний были проанализированы и обоб-щены с учетом принципа суперпозиции.

Направление перпендикулярно и , то есть перпенди-кулярно плоскости, в которой они лежат, и совпадает с каса-тельной к линиям магнитной индукции. Это направление может быть найдено с помощью правила правого винта, где направление вращения головки поступательное движение винта – направление тока I. Направление перпендикулярно и , то есть перпенди-кулярно плоскости, в которой они лежат, и совпадает с каса-тельной к линиям магнитной индукции. Это направление может быть найдено с помощью правила правого винта, где направление вращения головки поступательное движение винта – направление тока I. Закон Био – Савара – Лапласа в скалярной форме (2.17) – угол между векторами и . Для магнитного как и для электрического полей справедлив ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦИИ: Магнитная индукция, создавае-мая в одной точке несколькими движущимися зарядами или токами, равна векторной сумме магнитных индукций, созда-ваемых каждым током (зарядом) в отдельности.

СИЛА ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ДВУХ ТОКОВ

МАГНИТНАЯ ПОСТОЯННАЯ. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ И НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ Если два параллельных проводника с токами находятся в вакууме , то сила их действия на единицу проводника: Для определения численного значения магнитной пос-тоянной , воспользуемся определением ампера (единицы измерения силы тока), согласно которому: АМПЕР- сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолиней-ным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенного в

вакууме на расстоянии 1 м один от другого, создаёт между проводниками силу равную 2*10⁻⁷ Н на каж-дый метр длины. вакууме на расстоянии 1 м один от другого, создаёт между проводниками силу равную 2*10⁻⁷ Н на каж-дый метр длины. Следовательно, если и то Где Гн (генри) единица индуктивности (НЕ ИНДУКЦИИ!!)

Единица измерения магнитной индукции – Тл (Тесла). Единица измерения магнитной индукции – Тл (Тесла). 1 Тл – магнитная индукция такого однородного магнит-ного поля, которое действует с силой 1 Н на каждый метр прямого перпендикулярного полю проводника с током 1 А. Единица измерения напряженности магнитного поля – А/м (ампер/метр). 1 А/м – напряженность такого поля, магнитная индук-ция которого в вакууме 4π·10¯⁷ Тл.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ДВИЖУЩЕГОСЯ ЗАРЯДА

Каждый проводник с током создает в пространстве маг-нитное поле. Ток – упорядоченное движение электри-ческих зарядов. Значит любой движущийся заряд соз-дает вокруг себя магнитное поле. Каждый проводник с током создает в пространстве маг-нитное поле. Ток – упорядоченное движение электри-ческих зарядов. Значит любой движущийся заряд соз-дает вокруг себя магнитное поле. Свободно двигающийся заряд ( заряд двигающийся с постоянной нерелятивистской скоростью ), создает в точке М, на расстоянии магнитное поле с индукцией . Вектор направлен перпендикулярно плоскости в которой расположены и . Его направление – по-ступательное движение правого винта, при его вращении от к .

Формула магнитной индукции свободно двигающегося заряда в скалярной форме: Формула магнитной индукции свободно двигающегося заряда в скалярной форме: Движущийся заряд по своим свойствам эквивалентен элементу тока Эти закономерности справедливы только при малых скоростях движущегося заряда, когда электрическое поле свободно двигающегося заряда можно считать электростатическим , то есть неподвижным зарядом в той точке в которой находится двигающийся заряд.