Магнитное поле и его характеристики.
Опыт показывает, что, подобно тому как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, так в пространен не, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током или постоянные магниты. Название "магнитное поле" связывают с ориентацией магнитной стрелки под действием магнитного поля, создаваемого током. Это явление впервые обнаружено датским физиком Х.Эрнстом.
Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды. Опыт показывает, что характер воздействия магнитного поля на ток различен в зависимости от формы проводника, по которому течет ток, от расположения проводника и направления тока. Следовательно, чтобы охарактеризовать магнитное поле, надо рассмотреть его действие на определенный ток.
Подобно тому как при исследовании электростатического поля использовались точечные заряды, при исследовании магнитного поля используется замкнутый плоский контур с током (рамка с током), размеры которого малы по сравнению с расстоянием до токов, образующих магнитное поле.
Ориентация контура в пространстве характеризуется направлением нормали к
контуру. В качестве положительного на
правления нормали принимается направление поступательного движения винта,
головка которого вращается в направлении тока, текущего в рамке (рис.3.1.1).
Рис. 3.1.1
Опыты показывают, что магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие, поворачивая ее определенным образом. Этот результат связывается с определенным направлением магнитного поля. За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается положительная нормаль к рамке (рис. 3.1.2). За направление магнитного поля может быть также принято направление, совпадающее с направлением силы, которая действует на северный полюс магнитной стрелки, помещенной в данную точку Так как оба полюса магнитной стрелки лежат в близких точках поля, то силы, действующие на оба полюса, равны друг другу. Следовательно, на магнитную стрелку действует пара сил, поворачивающая ее так, чтобы ось стрелки, соединяющая южный полюс с северным, совпадала с направлением поля.
Рамкой с током можно воспользоваться также и для количественного описания магнитного поля. Так как рамка с током испытывает ориентирующее действие поля, то на нее в магнитном поле действует пара сил. Вращающий момент сил зависит как от свойств поля в данной точке, так и от свойств рамки:
Рис.3.1.2 (3.1.1)
где -вектор магнитной индукции, являющийся количественной характеристикой магнитного поля, -вектор магнитного момента рамки с током.
Для плоского контура с током
где S - площадь поверхности контура (рамки), - единичный вектор нормали к поверхности рамки. Направление совпадает с направлением положительной
нормали.
Если в данную точку магнитного поля поместить рамки с различными магнитными моментами, то на них действуют различные вращающие моменты, однако отношение Мmax/Pm (Мmax - максимальный вращающий момент) для всех контуров одно и то же и поэтому может служить поля, называемой магнитной индукцией:
В=Мmax/Pm
Магнитная индукция в данной точке однородного магнитного поля определяется максимальным вращающим моментом, действующим на рамку с магнитным моментом равным единице, когда нормаль к рамке непендикулярна направлению поля. Следует отметить, что вектор в может быть выведен также из закона Ампера и из выражения силы Лоренца.
Так как магнитное поле является силовым, то его, по аналогии с электрическим, изображают с помощью линий магнитной индукции - линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора
Их направление задаётся правилом правого винта: головка винта, ввинчиваемого по направлению тока, вращается в направлении линий магнитной индукции.
Линии магнитной индукции можно "проявить" с помощью железных опилок, намагничивающихся в исследуемом поле и ведущих себя подобно маленьким магнитным стрелкам.
На рис.3.1.3, а показаны линии магнитной индукции поля кругового тока, на рис.3.1.3,6 - линии магнитной индукции поля соленоида.
а б
Рис.3.1.3
Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с
током. Этим они отличаются от линий напряженности электростатического поля, которые являются разомкнутыми (начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных).
До сих пор мы рассматривали макроскопические токи, текущие в проводниках. Однако, согласно представлению французского физика А. Ампера, в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах Эти микроскопические молекулярные токи создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях макротоков. Например, если вблизи какого-то тела поместить проводник с током (мак-роток), то под действием его магнитного поля микротоки во всех атомах определенным образом ориентируются, создавая в теле дополнительное магнитное поле.
Вектор магнитной индукции характеризует результирующее поле, создаваемое всеми макро- и микротоками, т.е. при одном и том же токе и прочих равных условиях вектор в различных средах будет иметь разные значения.
Магнитное поле макротоков описывается вектором напряженности Н . Для однородной изотропной среды вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности следующим соотношением
(3.1.2)
где - магнитная постоянная, - безразмерная величина - магнитная проницаемость среды.
Сравнивая векторные характеристики электростатического ( и ) и магнитного ( и ) полей, укажем, что аналогом вектора напряженности электростатического поля является вектор магнитной индукции , т.к. векторы и определяют силовые действия этих полей и зависят от свойств среды. Аналогом вектора электрического смещения является вектор напряженности магнитного поля.
Дата добавления: 2015-06-01; просмотров: 926;