векторная физическая величина характеризующая магнитное поле
Магнитное поле и его характеристики
теория по физике 🧲 магнетизм
Магнитное поле — особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрическими частицами.
Основные свойства магнитного поля
Вектор магнитной индукции
За единицу магнитной индукции можно принять магнитную индукцию однородного поля, котором на участок проводника длиной 1 м при силе тока в нем 1 А действует со стороны поля максимальная сила, равна 1 Н. 1 Н/(А∙м) = 1 Тл.
Модуль вектора магнитной индукции — физическая величина, равная отношению максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на отрезок проводника с током, к произведению силы тока и длины проводника:
За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.
Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор магнитной индукции в данной точке поля.
Особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Поэтому магнитное поле — вихревое поле.
Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобным электрическим, в природе нет.
Напряженность магнитного поля
μ — магнитная проницаемость среды (у воздуха она равна 1), μ 0 — магнитная постоянная, равная 4 π · 10 − 7 Гн/м.
Направление вектора магнитной индукции и способы его определения
Чтобы определить направление вектора магнитной индукции, нужно:
В пространстве между полюсами постоянного магнита вектор магнитной индукции выходит из северного полюса:
При определении направления вектора магнитной индукции с помощью витка с током следует применять правило буравчика:
При вкручивании острия буравчика вдоль направления тока рукоятка будет вращаться по направлению вектора → B магнитной индукции.
Отсюда следует, что:
Способы обозначения направлений векторов:
| Вверх |  |
| Вниз |  |
| Влево |  |
| Вправо |  |
| На нас перпендикулярно плоскости чертежа |  |
| От нас перпендикулярно плоскости чертежа |  |
Пример №1. На рисунке изображен проводник, по которому течет электрический ток. Направление тока указано стрелкой. Как направлен (вверх, вниз, влево, вправо, от наблюдателя, к наблюдателю) вектор магнитной индукции в точке С?
Если мысленно начать вкручивать острие буравчика по направлению тока, то окажется, что вектор магнитной индукции в точке С будет направлен к нам — к наблюдателю.
Магнитное поле прямолинейного тока
Линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. Центр окружностей совпадает с осью проводника.
Если ток идет вверх, то силовые линии направлены против часовой стрелки. Если вниз, то они направлены по часовой стрелке. Их направление можно определить с помощью правила буравчика или правила правой руки:
Правило буравчика (правой руки)
Если большой палец правой руки, отклоненный на 90 градусов, направить в сторону тока в проводнике, то остальные 4 пальца покажут направление линий магнитной индукции.
Модуль вектора магнитной индукции на расстоянии r от оси проводника:
Магнитное поле кругового тока
Силовые линии представляют собой окружности, опоясывающие круговой ток. Вектор магнитной индукции в центре витка направлен вверх, если ток идет против часовой стрелки, и вниз, если по часовой стрелке.
Определить направление силовых линий магнитного поля витка с током можно также с помощью правила правой руки:
Если расположить четыре пальца правой руки по направлению тока в витке, то отклоненный на 90 градусов большой палец, покажет направление вектора магнитной индукции.
Модуль вектора магнитной индукции в центре витка, радиус которого равен R:
Модуль напряженности в центре витка:
Пример №2. На рисунке изображен проволочный виток, по которому течет электрический ток в направлении, указанном стрелкой. Виток расположен в вертикальной плоскости. Точка А находится на горизонтальной прямой, проходящей через центр витка. Как направлен (вверх, вниз, влево, вправо) вектор магнитной индукции магнитного поля в точке А?
Если мысленно обхватить виток так, чтобы четыре пальца правой руки были бы направлены в сторону тока, то отклоненный на 90 градусов большой палец правой руки показал бы, что вектор магнитной индукции в точке А направлен вправо.
Магнитное поле электромагнита (соленоида)
Соленоид — это катушка цилиндрической формы, витки которой намотаны вплотную, а длина значительно больше диаметра.
Число витков в соленоиде N определяется формулой:
l — длина соленоида, d — диаметр проволоки.
Линии магнитной индукции являются замкнутыми, причем внутри соленоида они располагаются параллельно друг другу. Поле внутри соленоида однородно.
Если ток по виткам соленоида идет против часовой стрелки, то вектор магнитной индукции → B внутри соленоида направлен вверх, если по часовой стрелке, то вниз. Для определения направления линий магнитной индукции можно воспользоваться правилом правой руки для витка с током.
Модуль вектора магнитной индукции в центральной области соленоида:
Модуль напряженности магнитного поля в центральной части соленоида:
Алгоритм определения полярности электромагнита
Пример №3. Через соленоид пропускают ток. Определите полюсы катушки.
Ток условно течет от положительного полюса источника тока к отрицательному. Следовательно, ток течет по виткам от точки А к точке В. Мысленно обхватив соленоид пальцами правой руки так, чтобы четыре пальца совпадали с направлением тока в витках соленоида, отставим большой палец на угол 90 градусов. Он покажет направление линий магнитной индукции внутри соленоида. Проделав это, увидим, что линии магнитной индукции направлены вправо. Следовательно, они выходят из В, который будет являться северным полюсом. Тогда А будет являться южным полюсом.
На рисунке изображён круглый проволочный виток, по которому течёт электрический ток. Виток расположен в вертикальной плоскости. В центре витка вектор индукции магнитного поля тока направлен
а) вертикально вверх в плоскости витка
б) вертикально вниз в плоскости витка
в) вправо перпендикулярно плоскости витка
г) влево перпендикулярно плоскости витка
Алгоритм решения
Решение
По условию задачи мы имеем дело с круглым проволочным витком. Поэтому для определения вектора → B магнитной индукции мы будем использовать правило правой руки.
Чтобы применить это правило, нам нужно знать направление течение тока в проводнике. Условно ток течет от положительного полюса источника к отрицательному. Следовательно, на рисунке ток течет по витку в направлении хода часовой стрелки.
Теперь можем применить правило правой руки. Для этого мысленно направим четыре пальца правой руки в направлении тока в проволочном витке. Теперь отставим на 90 градусов большой палец. Он показывает относительно рисунка влево. Это и есть направление вектора магнитной индукции.
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Магнитная стрелка компаса зафиксирована на оси (северный полюс затемнён, см. рисунок). К компасу поднесли сильный постоянный полосовой магнит и освободили стрелку. В каком положении установится стрелка?
а) повернётся на 180°
б) повернётся на 90° по часовой стрелке
в) повернётся на 90° против часовой стрелки
г) останется в прежнем положении
Алгоритм решения
Решение
Одноименные полюсы магнитов отталкиваются, а разноименные притягиваются. Изначально южный полюс магнитной стрелки находится справа, а северный — слева. Полосовой магнит подносят к ее южному полюсу северной стороной. Поскольку это разноименные полюса, положение магнитной стрелки не изменится.
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Непосредственно над неподвижно закреплённой проволочной катушкой вдоль её оси на пружине подвешен полосовой магнит (см. рисунок). Куда начнёт двигаться магнит сразу после замыкания ключа? Ответ поясните, указав, какие физические явления и законы Вы использовали для объяснения.
Алгоритм решения
Решение
Чтобы определить направление тока в соленоиде, посмотрим на расположение полюсов источника тока. Ток условно направлен от положительного полюса к отрицательному. Следовательно, относительно рисунка ток в витках соленоида направлен по часовой стрелке.
Зная направление тока в соленоиде, можно определить его полюса. Северным будет тот полюс, из которого выходят линии магнитной индукции. Определить их направление поможет правило правой руки для соленоида. Мысленно обхватим соленоид так, чтобы направление четырех пальцев правой руки совпадало с направлением тока в витках соленоида. Теперь отставленный на 90 градусов большой палец покажет направление вектора магнитной индукции. Проделав все манипуляции, получим, что вектор магнитной индукции направлен вниз. Следовательно, внизу соленоида расположен северный полюс, а вверху — южный.
Известно, что одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Подвешенный полосовой магнит обращен к южному полюсу соленоида северным полюсом. А это значит, что при замыкании электрической цепи он будет растягивать пружину, притягиваясь к соленоиду (двигаться вниз).
pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор | оценить
Магнитное поле постоянного электрического тока
Урок 2. Физика 11 класс
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Магнитное поле постоянного электрического тока»
«Так как я уже давно рассматривал силы,
проявляющиеся в электрических явлениях,
всеобщими природными силами, то я
должен был отсюда вывести и магнитные действия»
Ханс Кристиан Эрстед
В прошлой теме говорилось о том, что вокруг движущихся электрических зарядов, существует магнитное поле, т.е. особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрическими заряженными частицами. Магнитное поле порождается электрическим током и обнаруживается по действию на него.
Из курса физики 10 класса известно, что электрическое поле характеризуется векторной физической величиной, называемой напряженностью электрического поля. Возникает вопрос: существует ли величина, которая количественно будет характеризовать магнитное поле?
Для количественного описания магнитного поля можно воспользоваться контуром с током. Так как контур с током испытывает ориентирующее действие поля, то на него в магнитном поле действует пара сил, которая создает момент сил относительно некоторой неподвижной оси.
Вращающий момент сил зависит как от свойств поля в данной точке, так и от свойств контура. Для плоского контура с током I величина, равная произведению силы тока I на площадь S, ограниченную контуром, называется магнитным моментом контура и обозначается 
.
Таким образом, магнитный момент — это векторная величина, направление которой совпадает с направлением положительной нормали к контуру.
Опыт показывает, что вращающий момент зависит от расположения контура в магнитном поле. Он равен нулю, если магнитное поле перпендикулярно плоскости контура, и максимален, если нормаль к контуру перпендикулярна магнитному полю.
Как показывает опыт, максимальный вращающий момент пропорционален силе тока и площади контура рамки с током.
Если в данную точку магнитного поля помещать контуры с разными магнитными моментами, то на них будут действовать различные вращающие моменты, однако отношение максимального вращающего момента к магнитному моменту для всех контуров одно и то же и поэтому может служить характеристикой магнитного поля. Эту величину, в физике, назвали магнитной индукцией.
Таким образом, магнитная индукция — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, численно равная максимальному вращающему моменту, действующему на контур с единичным магнитным моментом, и направленная вдоль положительной нормали к контуру.
Единицей магнитной индукции в системе СИ является тесла (Тл), названная в честь великого сербского ученого и экспериментатора Николы Тесла.
1 Тл — это магнитная индукция такого однородного поля, в котором на контур с магнитным моментом 1 А×м 2 действует вращающий момент 1 Н×м.
Магнитная индукция полностью характеризует магнитное поле, так как в каждой точке поля может быть найден ее модуль и направление.
Как же направлен вектор магнитной индукции?
Известно, что в магнитном поле рамка с током на гибком подвесе, со стороны которого не действуют силы упругости, поворачивается до тех пор, пока она не установится определенным образом. Также известно, что подобным образом ведет себя и магнитная стрелка (маленький продолговатый магнит) помещенная в любую точку поля. Поэтому, ориентирующее действие магнитного поля на рамку с током или магнитную стрелку, можно использовать для определения направления вектора магнитной индукции. За направление вектора магнитной индукции принимается направление, которое показывает северный полюс магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.
Для наглядного представления магнитного поля, его можно изображать графически с помощью линий магнитной индукции, подобно тому, как электрическое поле изображают с помощью линий напряженности.
Линией магнитной индукции называется линия, касательная к которой в каждой точке поля совпадает с вектором магнитной индукции.
Так как в каждой точке магнитного поля характеризуется определенным значением вектора магнитной индукции, то через каждую точку поля можно провести линию магнитной индукции причем только одну. При этом линии магнитной индукции не пересекаются.
Наглядное представление о линиях магнитной индукции можно получить, если на лист стекла, сквозь который проходит проводник с током, насыпать железные опилки и встряхнуть их. Опилки намагничиваются, становятся маленькими магнитными стрелками и располагаются вдоль вектора магнитной индукции.
Исследования различных магнитных полей показало, что линии магнитной индукции, в отличии от линий напряженности электростатического поля являются замкнутыми линиями.
Поля с замкнутыми векторными линиями называют вихревыми. Поэтому магнитное поле — это вихревое поле.
Замкнутость линий индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля: оно свидетельствует о том, что магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе нет. Источником магнитного поля являются движущиеся заряды и переменные электрические поля.
Рассмотрим более подробно на спектре магнитных линий различных токов. Сначала рассмотрим магнитное поле прямолинейного проводника с током потому, что именно с такими проводниками будем чаще всего сталкиваться.
Для получения спектра магнитного поля прямого проводника с током воспользуемся старым приемом. Пропустим проводник сквозь лист картона. На картон, тонким слоем насыплем железные опилки и пропустим электрический ток по проводнику.
Как видно, под действием магнитного поля железные опилки располагаются по концентрическим окружностям. По касательной к ним расположатся и магнитные стрелки вокруг такого проводника стоком.
Таким образом, линии магнитной индукции магнитного поля прямолинейного тока представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику, с центром на оси проводника.
Направление же вектора магнитной индукции определяют с помощью правила буравчика (или правила правого винта): если поворачивать головку винта так, чтобы поступательное движение острия винта происходило вдоль тока в проводнике, то направление вращения головки указывает направление линий магнитной индукции поля прямого проводника с током.
Для изображения магнитного поля пользуются следующим приемом. Если линии однородного магнитного поля расположены перпендикулярно к плоскости чертежа и направлены от нас за чертеж, то их изображают крестиками, а если из-за чертежа к нам — то точками. Как и в случае с током, каждый крестик — это как бы видимое хвостовое оперение летящей стрелы, а точка — острие стрелы, летящей к нам.
Как показывают расчеты, модуль магнитной индукции поля прямолинейного тока может быть рассчитан по формуле:
где m – магнитная проницаемость среды;
m 0 = 4p×10 –7 Н/А 2 – магнитная постоянная;
I – сила тока в проводнике;
r – расстояние от проводника до точки, в которой вычисляется магнитная индукция.
В формуле появилась новая физическая величина — магнитная проницаемость среды. Что это за величина?
Магнитная проницаемость среды — это физическая величина, показывающая, во сколько раз модуль магнитной индукции поля в однородной среде отличается от модуля магнитной индукции в той же точке поля в вакууме.
Рассмотрим магнитное поле кругового тока. Исследования показали, что линии магнитной индукции поля кругового тока не являются правильными окружностями, но они замыкаются, обходя проводник, по которому идет ток.
Направление линий магнитной индукции можно определить с помощью правила правого винта: если головку винта вращать в направлении тока в проводнике, то поступательное движение острия винта покажет направление магнитной индукции в центре кругового тока.
Модуль магнитной индукции в центре кругового тока прямо пропорционален магнитной проницаемости среды, магнитной постоянной и силе тока в проводнике, и обратно пропорционален удвоенному радиусу кругового витка.
Рассмотрим магнитное поле соленоида.
Соленоид — это катушка цилиндрической формы из проволоки, витки которой намотаны вплотную друг к другу в одном направлении, а длина катушки значительно больше радиуса витка.
Магнитное поле соленоида можно представить как результат сложения полей, создаваемых несколькими круговыми токами, имеющими общую ось. На рисунке видно, что внутри соленоида линии магнитного поля каждого отдельного витка имеют одинаковое направление, тогда как между соседними витками они имеют противоположное направление. Поэтому, при достаточно плотной намотке соленоида, противоположно направленные участки линий магнитного поля соседних витков взаимно уничтожаться, а одинаково направленные участки сольются в общую линию.
Изучение этого поля с помощью железных опилок показало, что внутри соленоида магнитные линии поля представляют собой прямые, параллельные оси соленоида, которые расходятся на его концах и замыкаются вне соленоида.
Зная направление тока в витке, полюсы соленоида можно определить с помощью правила правой руки: если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.
Модуль магнитной индукции внутри однослойного соленоида можно определить по формуле:
где N – количество витков в соленоиде;
l – длина соленоида;
n – количество витков в соленоиде, приходящееся на единицу длины.
На рисунке показано магнитное поле Земли. Линии магнитной индукции поля Земли подобны линиям магнитной индукции поля соленоида. Магнитный северный полюс близок к Южному географическому полюсу, а магнитный южный полюс — к северному географическому полюсу. Ось такого большого магнита составляет с осью вращения Земли угол 11,5 0 градуса. Периодически магнитные полюсы меняют свою полярность. Последняя такая замена произошла около 30 000 лет назад.
– Для количественного описания магнитного поля вводится физическая величина, называемая магнитной индукцией.
– Магнитная индукция — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, численно равная максимальному вращающему моменту, действующему на контур с единичным магнитным моментом, и направленная вдоль положительной нормали к контуру.
– Единицей магнитной индукции в системе СИ является Тл (тесла).
– Магнитное поле — это вихревое поле, т.е. линии индукции магнитного поля замкнуты. Замкнутость линий говорит нам о том, что магнитных зарядов в природе не существует, источником магнитного поля являются движущиеся заряды и переменные электрические поля.
В каждой точке поля вектор магнитной индукции имеет определенное направление, которое можно определить по правилу буравчика.