Магнитное поле - определение, основные характеристики и свойства

Основные характеристики магнитного поля

Магнитное поле (далее обозначается: МП) — это такая материя, которая находится и движется вокруг токов (электрических зарядов).

МП возникает из:

1. Тока заряженных частиц.
2. Электрического поля, которое изменяется во временном промежутке.
3. Магнитных моментов.

Для исследования МП применяют рамку с током.

Рамка с током — непрерывный ровный контур с током.

Свойства МП:

• МП имеет материальную основу;
• электрический ток - это индикатор для МП, и без него МП не может существовать;
• МП круговые, то есть его силовые линии (линии магнитной индукции) непрерывные;
• чем дальше источник поля, тем слабее и меньше становится МП.

Графически изобразить МП можно в виде линий или линий индукции.

История открытия МП

Изучение МП началось в XIII веке француз Петр Перегрин заметил на плоскости магнита МП с помощью стальных игл. Петр установил, что линии МП перекрещиваются и образуют две точки, которые он назвал полюсами.

Ученый Эстерд в 1819 году увидел движущуюся стрелку компаса рядом с проводником тока. В связи с этим он сделал вывод, что есть какая-то связь между МП и электрическим полем.

И только через пять лет Ампер смог описать взаимосвязь магнита с проводником (их действующую друг на друга силу). Так появился закон Ампера.

Еще через семь лет Фарадей провел опыт и обнаружил явление электромагнитной индукции, то есть он установил, что изменение МП влияет на проводник.

И по прошествии 33 лет Максвел объединил и математически описал все полученные ранее знания.

Магнитная индукция

Магнитная индукция (МИ) — силовое определение МП. Это векторная величина.

Одной из главных характеристик МП является векторный потенциал.

Формула индукции магнитного поля измеряется через вектор магнитной индукции (В).

В=Fmax/I*l ,

где Fmax — наибольшая сила, воздействующая от МП на проводнике; I — сила тока в проводнике; l — длина.

Вектор МИ имеет единицы измерения — теслы (Тл).

Направление вектора МИ — это направление от южного полюса к северному магнитной стрелки, установленной в МП.

Линия МИ — несуществующая прямая, где в любом месте вектор МИ направлен к ней по касательной.

Свойства магнитной линии:

• постоянность;
• замкнутость;
• ориентированность.

Чем больше магнитных линий, тем сильнее МП.

Если рассматривать МП в свободном пространстве (без окружающей его среды), то используют понятие не вектор МИ, а вектор напряженности (Н), равный разности вектора МИ и вектор намагниченности (М).

Н = В - М

Если полей более одного, то вектор МИ определяется по принципу суперпозиции: МИ основного поля, которое состоит из многих источников, можно найти через сумму МИ всех полей, входящих в состав МП.

Электрическое поле

Электрическое поле (ЭП) — материя, созданная заряженными частицами, взаимодействующими между собой.

Количественно ЭП можно характеризовать понятием напряженность электрического поля. Так как сила имеет направленность, то и напряженность имеет направление, поэтому это векторная величина. Данную напряженность можно определить по формуле:

E=F/q , где Е — напряженность ЭП,

F — сила, которая влияет на заряд,

q — величина заряда.

Так же как и МИ, напряженность нескольких электрических полей можно вычислить по принципу суперпозиции.

Виды ЭП:

• Статическое (имеет неподвижные заряды).
• Магнитное (заряды проходят по проводнику).
• Стационарное (если проводник с током не двигается и не изменяется).
• Электромагнитное.

Магнитное взаимодействие

Магнитное взаимодействие — соединение или разъединение электрически незаряженных проводников при пропускании через них электричества.

Магнитное взаимодействие можно трактовать так: каждый перемещающийся электрический заряд вызывает МП, влияющее на перемещающиеся заряженные частицы.

Взаимосвязь проводников, по которым движется ток: если токи движутся в одну сторону, то проводники соединяются, если токи движутся в разные стороны, то проводники отталкиваются.

МП — это следствие появления понятия электрического поля. МП совместно с электрическим образуют электромагнитное поле.

Прямой ток

Магнитное поле проводника с током проходит по прямой, около которой возникает МП. МП около проводника с током проходит по круговой спирали. Направление магнитного поля и тока проходит в одну сторону. А в какую сторону, можно найти по правилу буравчика: если буравчик движется в ту же сторону, что и электрические заряды в проводнике, то направление обращения ручки буравчика соответствует направлению вектора МИ.

МП прямого тока — МП, ток которого идет по прямому кабелю большой длины.

Магнитные линии МП прямого тока — кривые линии, имеющие форму окружности, которые окружают проводник. В данном случае для того, чтобы найти направления силовых линий МП, применяют правило правой руки: если проводник держать в правой руке, большой палец будет направлен в сторону тока, а другие четыре пальца показывают направление силовых линий МП.

Понятие однородности

Однородное МП — это поле, вектор МИ которого постоянный.

Параметры однородности МП:

• магнитные линии параллельные и ровные;
• между линиями одинаковый интервал;
• энергия, которая воздействует на проводник, одинакова во всех точках.

Неоднородное МП — это поле, у которого линии искривлены, расстояние между ними неоднородное и напряжение меняется от точки к точке.

Сила Ампера

Сила Ампера — сила, воздействующая на проводник с электрическими зарядами, который расположен в МП.

Закон Ампера: на проводник с током, который расположен в МП, воздействует определенная сила. Данную силу можно рассчитать по формуле:

где I — сила тока в проводнике;

l — длина проводника;

В — МИ МП;

а — угол между проводником и вектором.

Для того чтобы узнать направление силы Ампера, основатель данной силы открыл правило левой руки: если перпендикуляр вектора МИ упирается в ладонь, а четыре пальца указывают в сторону тока, то большой палец, расположенный под прямым углом к остальным, направлен в сторону силы Ампера.

Понятие магнит

Магнит — это тело, которое имеет собственное МП.

Главное качество магнитов — способность притягивать предметы из железа или его сплавов (сталь, чугун).

Магниты делятся на 2 вида:

• природные (из магнитного железняка);
• искусственные (намагниченные железные полосы).

Постоянные магниты — это тела, которые долгое время создают МП.

Переменные МП и электрические существуют только совместно, так как МП порождает электрическое, а электрическое поле порождает МП.

Область, где качества магнита демонстрируются с наибольшей силой, называются полюсами. Магнит имеет два полюса: северный (N) и южный (S). Два одинаковых поля (N - N) отталкиваются, а противоположные (N - S) — притягиваются.

Если постоянный магнит разделить напополам, то у этих частей окажется также два полюса.

Алгоритм решения задачи

Для решения задачи о действии МП на проводники с током можно использовать следующий алгоритм:

• Создать чертеж проводника и обозначить на нем линии индукции с их направлением.
• Обозначить углы между направлением поля и элементами контура.
• Определить направление силы Ампера и указать данные параметры на чертеже.
• Также отметить на схеме другие силы, которые действуют на проводник.
• Изучить все нужные формулы.
• Использовать второй закон Ньютона в векторном виде и проекции.
• Найти неизвестную величину через уравнение и решить пример.
• Сделать проверку.