150247 (Дія магнітного поля на рухомі заряди та закон повного струму і його використання)

ЗМІСТ

Вступ.

1. Обертальний момент, діючий на контур із струмом в магнітному полі.

2. Принцип суперпозиції магнітних полів. Закон Біо-Савара-Лапласа.

Висновки.

НАОЧНІ ПОСІБНИКИ І ПРИЛАДИ

1. Прилад для демонстрації сили Ампера.

2. Магнітна стрілка. Круговий струм в магнітному полі.

3. Діафільми “Электромагнетизм”, “Магнитное поле тока”.

4. Кінофільм “Магнитное поле движущихся зарядов”.

5. Лектор-2000.

ОРГАНІЗАЦІЙНО-МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ДО ПРОВЕДЕННЯ ЛЕКЦІЇ

Відомо, що в природі існує єдине змінне електромагнітне поле. Як окремий випадок існує електростатичне поле і магнітне поле. Основні характеристики електростатичного поля вже вивчені курсантами, а основні характеристики магнітного поля вивчатимуться на даному занятті. При цьому слід виділити, що аналога електричному заряду в магнітному полі не існує, тому магнітне поле вивчається за допомогою рамки з струмом, яка подібна магнітній стрілці і кількісно характеризується магнітним моментом . Необхідно також при вивченні магнітного поля проводити аналогію між електричним та магнітним полями, це сприяє кращому засвоєнню матеріалу і поглибленню знань з фізики.

ВСТУП

Магнітне поле є складовою частиною загального змінного електромагнітного поля, яке широко використовується на практиці в зв’язку – електромагнітні хвилі, в різного типу трансформаторах, генераторах, перетворювачах і ін. Тому вивчення основних характеристик і законів магнітного поля має важливе не тільки теоретичне, а й практичне значення для майбутніх офіцерів-зв’язківців. На занятті поглиблено будуть вивчатись характеристика магнітного поля – індукція та напруженість, метод графічного зображення поля за допомогою силових ліній, а також важливі закони-Ампера та Біо-Савара-Лапласа. Крім цього буде розглянуто принцип роботи двигунів та генераторів електричного струму.

1. Магнітне поле. Закон Ампера

Досліди показують, що, подібно тому, як в просторі навколо електричного заряду існує електричне поле, в просторі навколо електричних струмів існує силове поле яке називають магнітним полем.

Магнітне поле виникає також при існуванні змінного в часі електричного поля. Тобто змінні електричне і магнітне поля існують одночасно. Вони зв’язані нероздільно і створюють єдине електромагнітне поле. Тому магнітне (як і електростатичне) поле необхідно розглядати як окремий випадок загального змінного електромагнітного поля, коли постійний магніт нерухомий, або коли нерухомий провідник з постійним струмом.

В електростатиці для вивчення характеристик електричного поля використовують точковий заряд. Аналогії заряду в магнітному полі не існує. Тому для вивчення властивостей магнітного поля використовують дію поля на плоский контур зі струмом (рамку з струмом). При цьому розміри контура зі струмом повинні бути малими порівнюючи з відстанню до провідника зі струмом, магнітне поле яких вивчається. Досліди показують, що рамка з струмом в магнітному полі повертається певним чином, тобто магнітне поле оказує на рамку орієнтуючу дію. А це значить, що на рамку з струмом в магнітному полі діє пара сил, причому момент цієї пари М (як показують досліди) в залежності від орієнтації рамки змінюються від нуля до максимального значення. Ця орієнтуюча дія магнітного поля на рамку з струмом і дозволяє використати її для визначення величини і напрямку магнітного поля.

Подібно до того, як електростатичне поле характеризується силовою характеристикою – напруженістю поля Е, магнітне поле характеризується магнітною індукцією В – це силова характеристика магнітного поля, вона показує з якою силою діє магнітне поле на розміщений в полі провідник зі струмом. Таким чином, магнітне поле, як і електростатичне існує об’єктивно і його легко виявити. Крім цього, магнітне поле, як і електростатичне, матеріально, воно являє собою одну із форм існування матерії.

Магнітне поле, подібно до електричного, можна зображати графічно за допомогою силових ліній – ліній індукції магнітного поля. Лінією індукції магнітного поля називають таку лінію, дотична до якої в кожній точці співпадає з напрямком вектора індукції поля в цій точці (рис. 1).

Рис. 1

Так як індукція поля в будь-якій точці має одне єдине значення , то через одну точку поля можна провести тільки одну силову лінію і отже силові лінії магнітного поля, як і електричного, не перетинаються.

За допомогою ліній індукції можна графічно зобразити і величину індукції магнітного поля. Для цього домовились, через одиничну площину, перпендикулярну до ліній індукції, провести стільки силових ліній, щоб їх число було рівне В, тобто:

,

де N - число силових ліній, що перетинає площину S, яка перпендикулярна силовим лініям. При цьому вважається, що в межах S. Магнітне поле буде однорідним, якщо у всіх точках поля (силові лінії поля паралельні і однакова їх густина).

На провідник із струмом в магнітному полі діє сила. Ампер показав, що сила , з якою магнітне поле діє на елемент провідника зі струмом I, що знаходиться в магнітному полі прямо пропорційна силі струму в провіднику і векторному добутку елемента довжини провідника на магнітну індукцію .

( 1 )

або ( 2 )

де - кут між напрямком струму І індуціє магнітного поля.

Напрям сили Ампера визначається по правилу векторного добутку, або по правилу лівої руки. Якщо ліву руку розмістити так, щоб лінії індукції магнітного поля входили в долоню, а чотири випрямлені пальці збігались з напрямком струму в провіднику, то поставлений під прямим кутом великий палець вказує напрям сили Ампера. Закон Ампера широко використовується на практиці – в електровимірних приладах, електродвигунах та ін.

Магнітна індукція і напруженість магнітного поля. Магнітна проникність.

Оскільки магнітне поле вивчається за допомогою рамки із струмом- по орієнтуючій дії магнітного поля на рамку, то домовились визначати положення рамки в просторі з допомогою вектора , перпендикулярного до площини рамки (нормаль до рамки).

За додатній напрямок нормалі до рамки приймають нормаль, зв’язану зі струмом правилом свердлика (рис.2).

Рис. 2

Для визначення напрямку магнітного поля рамки розміщують в полі і дають їй можливість вільно повертатись і зайняти в просторі таке положення, при якому обертальний момент дорівнює нулю і рамка знаходитиметься в положенні стійкої рівноваги. Тоді напрям нормалі до рамки співпадає з напрямком магнітного поля ( ).

Обертальний момент пари сил, що діє на рамку з струмом в магнітному полі дозволяє використати її для кількісної характеристики поля. Розглянемо, які властивості рамки впливають на обертальний момент.

Досліди показують, що обертальний момент М має максимальне значення, якщо нормаль рамки перпендикулярна до магнітного поля. Крім цього обертальний момент М пропорційний силі струму в рамці І , та площі рамки S, тобто

Величину P_m=I·S називають магнітним моментом рамки із струмом. Отже

М~P_m

Магнітний момент рамки із струмом – величина векторна. Напрям вектора співпадає з напрямком нормалі (рис.2).

Основною характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції . За напрямок вектора магнітної індукції приймають напрям додатньої нормалі до рамки, яка знаходиться в положенні стійкої рівноваги в магнітному полі.

Досліди показують, що якщо в одну і ту ж точку поля розміщати одинаково орієнтовані рамки з магнітними моментами - то на них будуть діяти різні обертальні моменти М_1; М₂; М₃ , але відношення буде сталим, тобто

Це відношення і визначає величину вектора індукції магнітного поля.

Векттором індукції магнітного потля називають вектор, чисельно рівний максимаьному обертальному моменту, який діє на одиничну рамки із струмом (P_m=1) в магнітному полі і направлений вздовж нормалі до рамки, коли вона знаходиться в стійкій рівновазі.

( 3 )

І якщо , то .

Відзначимо, що напрям вектора магнітної індукції можна визначити також за допомогою магнітної стрілки. Якщо безмежно мала стрілка зайняла положення стійкої рівноваги, то вектор паралельний вісі стрілки і направлений від південного полюса до північного.

Розмірність індукції в системі СІ можна визначити на основі формули (3).

.

Індукція магнітного поля залежить від властивостей речовини. Магнітні властивості речовини характеризуються відносною магнітною проникністю, яка показує, в скільки раз індукція магнітного поля в речовині більша або менша індукції поля в вакуумі. Тобто, відносна магнітна проникність речовини дорівнює відношенню індукції магнітного поля в речовині до індукції магнітного поля в вакуумі:

( 4 )

Крім індукції магнітного поля, яка залежить від властивостей речовини, магнітне поле характеризується напруженістю магнітного поля - це також силова характеристика поля, але вона не залежить від властивостей речовини, причому для вакууму

( 5 )

де - магнітна стала.

Напруженість магнітного поля визначається тільки струмом і не залежить від властивостей речовини. Вона являється аналогом вектора електричної індукції .

Враховуючи (4) і (5) , або ( 6 )

де - абсолютна магнітна проникність. В системі СІ індукція магнітного поля вимірюється в теслах (Тл), а напруженість магнітного поля – А/м.

1. ОБЕРТАЛЬНИЙ МОМЕНТ, ЩО ДІЄ НА КОНТУР ІЗ СТРУМОМ В МАГНІТНОМУ ПОЛІ

Велике значення має дія магнітного поля на замкнений провідник (рамку) зі струмом, так як ця дія широко використовується в сучасних електродвигунах і багатьох електровимірювальних приладах. Розглянемо рамку з струмом в однорідному магнітному полі (рис.3)

Рис.3

Нехай площа рамки паралельна індукції магнітного поля (положення рамки зображено пунктиром). Знайдемо сили, що діють на сторони рамки. Оскільки сторони АВ і СD паралельні силовим лініям магнітного поля, то на них сила Ампера не діє. Сила Ампера діє на сторони АД і ВС – F₁ I F₂ і ці сили створюють пару сил, і якщо рамка може повертатись, то вона повертається і становиться так, що вектор індукції буде перпендикулярний до площини рамки. Момент пари сил буде рівний:

, а так як то

,

де - кут між нормаллю до рамки і індукцією магнітного поля, S – площа рамки.

Величина - магнітний момент рамки, величина векторна. Вектор співпадає з напрямком додатньої нормалі до рамки.

Отже: , або в векторній формі: .

Таким чином: обертальний момент, що діє на рамку із струмом в магнітному полі дорівнює добутку магнітного моменту рамки, індуція поля і Sin. Якщо , то М = 0 – положення стійкої рівноваги, якщо ж = /2, то