Тема 3. Магнитное поле. Закон Био-Савара-Лапласа
Электрический ток создает поле, действующее на магнитную стрелку. Стрелка ориентируется по касательной к окружности, лежащей в плоскости, перпендикуляной к проводнику с током (рис. 9).
Основной характеристикой магнитного поля является вектор индукция . Принято, что вектор индукция магнитного поля направлен в сторону север-ного полюса магнитной стрелки, помещенной в данную точку поля (рис. 9).
По аналогии с электрическим полем, магнитное поле также может быть изображено графически с помощью силовых линий (линий индукции магнитного поля).
Силовая линия – это такая линия, касательная к которой в каждой точке совпадает по направлению с вектором индукции магнитного поля. Силовые линии магнитного поля, в отличие от силовых линий электростатического поля, являются замкнутыми и охватывают проводники с током. Направление силовых линий задается правилом правого винта (правилом буравчика): головка винта, ввинчиваемого по направлению тока, вращается в направлении линий магнитной индукции (рис. 9).
Рис. 9
Для нескольких источников магнитного поля согласно принципу суперпозиции магнитных полей индукция результирующего магнитного поля равна векторной сумме индукций всех отдельных магнитных полей:
.
Вектор индукции магнитного поля, создаваемого проводником с током , можно определить с помощью закона Био-Савара-Лапласа.При этомнеобходимо учесть то, что закон Био-Савара-Лапласапозволяет найти модуль и направление лишьвектора индукции магнитного поля, создаваемого элементом проводника с током . Поэтому, для определения вектора индукции магнитного поля, создаваемого проводником с током , необходимо первоначально разбить этот проводник на элементы проводника , для каждого элемента с помощью закона Био-Савара-Лапласа найти вектор индукции , а затем, используя принцип суперпозиции магнитных полей, сложить векторно все найденные вектора индукции .
Закон Био-Савара-Лапласав векторной форме:
,
где – индукция магнитного поля в точке M, заданной радиусом-вектором , проведенным от начала вектора до этой точки;
– векторное произведение векторов и ;
– магнитная постоянная,
– магнитная проницаемость среды.
Направление вектора определяется по правилу правого винта: направление вращения головки винта дает направление вектора , если поступательное движение винта совпадает с направлением тока в элементе проводника (рис. 10).
В скалярном виде закон Био-Савара-Лапласа:
, где – угол между векторами и .
Магнитное поле линейного тока.Для нахождения индукции магнитного поля, созданного прямым проводником с током (рис. 11), необходимо разбить весь проводник на элементы , для каждого элемента проводника с током I найти вектор индукции , а затем векторно сложить все найденные .
В произвольной точке М, удаленной от оси проводника на расстояние b (рис. 11), векторы от всех элементов проводника с током I имеют одинаковое направление, перпендикулярное плоскости чертежа («к нам»). Поэтому сложение векторов можно заменить сложением их модулей.
По закону Био-Савара-Лапласа модуль вектора магнитной индукции в точке М поля, созданного элементом проводника с током I :
.
В качестве переменной интегрирования выберем угол , выразив через этот угол все остальные величины.
Из рисунка 11 следует, что , а с другой стороны, .
Тогда , а модуль вектора магнитной индукции в точке М :
.
Из прямоугольного треугольника DOM :
, откуда .
Следовательно, индукция dB, создаваемая элементом проводника dl с током I :
.
Теперь можно перейти к интегрированию:
.
Так как угол для прямого тока изменяется в пределах от до , то магнитная индукция поля прямого тока:
.
Следовательно,
.
Магнитное поле в центре кругового проводника с током. Для нахождения индукции магнитного поля в центре кругового проводника с током необходимо разбить этот проводник на элементы , причем все элементы проводника с током создают в центре кругового тока магнитные поля одинакового направления – вдоль нормали к плоскости витка (рис. 12). Поэтому сложение векторов можно заменить сложением их модулей dB.
По закону Био-Савара-Лапласа модуль вектора :
.
Так как все элементы проводника перпендикулярны соответствующим радиусам-векторам (рис. 12), то sina = 1 для всех элементов . Расстояния r для всех элементов проводника также одинаковые (r = R).
Тогда выражение для модуля вектора примет вид:
.
Теперь для нахождения модуля вектора можно перейти к интегрированию:
.
Следовательно, индукция магнитного поля B в центре кругового проводника радиусом R с током I :
.
Тема 4. Действие магнитного поля на проводник с током (закон Ампера) и на движущийся заряд (сила Лоренца)
Закон Ампера. На элемент проводника с током I , помещённый в магнитное поле с индукцией действует сила ( – сила Ампера): .
Модуль вектора : ,
где – угол между векторами и .
Направление вектора можно определить по правилу левой руки: если силовые линии входят в ладонь, а четыре вытянутых пальца располагаются по току, то отведённый большой палец укажет направление силы Ампера(рис. 13, сила перпендикулярна плоскости рисунка).
Сила Лоренца. На заряд q , движущийся со скоростью в магнитном поле с индукцией , действует сила ( – сила Лоренца ): .
Модуль вектора : ,
где α – угол между векторами и .
Направление вектора может быть определено по правилу левой руки для движущихся положительных зарядов и по правилу правой руки для движущихся отрицательных зарядов: если силовые линии магнитного поля входят в ладонь, а четыре вытянутых пальца располагаются по скорости движения частицы, то отведённый большой палец укажет направление силы Лоренца (рис.14, сила перпендикулярна плоскости рисунка).
Дата добавления: 2014-12-12; просмотров: 1265;