Физични свойства на магнитното поле. Основни свойства на магнитното поле

Магнитното поле отдавна повдига много въпроси у хората, но дори и сега остава малко познат феномен. Много учени се опитаха да проучат неговите характеристики и свойства, тъй като ползите и потенциалът от използването на полето бяха неоспорими факти.

Нека да разгледаме всичко в ред. И така, как действа и се формира всяко магнитно поле? Точно така, от електрически ток. А токът, според учебниците по физика, е насочен поток от заредени частици, нали? Така че, когато ток преминава през който и да е проводник, около него започва да действа определен вид материя - магнитно поле. Магнитното поле може да бъде създадено от ток от заредени частици или от магнитните моменти на електроните в атомите. Сега това поле и материя имат енергия, ние я виждаме в електромагнитни сили, които могат да повлияят на тока и неговите заряди. Магнитното поле започва да влияе на потока от заредени частици и те променят първоначалната посока на движение, перпендикулярна на самото поле.

Магнитното поле може да се нарече и електродинамично, защото се образува в близост до движещи се частици и засяга само движещите се частици. Е, той е динамичен поради факта, че има специална структура при въртящи се биони в област от пространството. Един обикновен движещ се електрически заряд може да ги накара да се въртят и движат. Бионите предават всички възможни взаимодействия в този регион на пространството. Следователно движещ се заряд привлича единия полюс на всички биони и ги кара да се въртят. Само той може да ги изведе от състоянието им на покой, нищо друго, защото други сили няма да могат да им въздействат.

В електрическо поле има заредени частици, които се движат много бързо и могат да изминат 300 000 км само за секунда. Светлината има същата скорост. Магнитното поле не може да съществува без електрически заряд. Това означава, че частиците са невероятно тясно свързани една с друга и съществуват в общо електромагнитно поле. Тоест, ако има някакви промени в магнитното поле, тогава ще има промени в електрическото. Този закон също е обратен.

Тук говорим много за магнитното поле, но как можем да си го представим? Не можем да го видим с нашето човешко просто око. Освен това, поради невероятно бързото разпространение на полето, ние нямаме време да го открием с помощта на различни устройства. Но за да изучавате нещо, трябва да имате поне някаква представа за него. Също така често е необходимо да се изобрази магнитно поле в диаграми. За по-лесно разбиране са начертани условни полеви линии. Откъде са ги взели? Те са измислени с причина.

Нека се опитаме да видим магнитното поле с помощта на малки метални стружки и обикновен магнит. Нека го излеем плоска повърхносттези дървени стърготини и ги пуснете в действие магнитно поле. Тогава ще видим, че те ще се движат, въртят и подреждат в модел или модел. Полученото изображение ще покаже приблизителния ефект на силите в магнитното поле. Всички сили и съответно силови линии са непрекъснати и затворени на това място.

Магнитната стрелка има сходни характеристики и свойства с компаса и се използва за определяне на посоката на силовите линии. Ако попадне в зоната на действие на магнитно поле, от северния му полюс можем да видим посоката на действие на силите. Тогава нека подчертаем няколко заключения оттук: върхът на обикновен постоянен магнит, от който излизат силовите линии, се обозначава като северния полюс на магнита. Докато южният полюс обозначава точката, в която силите са затворени. Е, силовите линии вътре в магнита не са подчертани на диаграмата.

Магнитното поле, неговите свойства и характеристики са доста страхотно приложение, тъй като в много проблеми трябва да се отчита и изучава. Това е най-важното явление в науката физика. По-сложни неща като магнитна проницаемост и индукция са неразривно свързани с него. За да обясним всички причини за появата на магнитно поле, трябва да разчитаме на реални научни фактии потвърждения. Иначе в повече сложни задачигрешният подход може да разруши целостта на теорията.

Сега нека дадем примери. Всички познаваме нашата планета. Ще кажете ли, че няма магнитно поле? Може да сте прави, но учените казват, че процесите и взаимодействията в ядрото на Земята пораждат огромно магнитно поле, което се простира на хиляди километри. Но във всяко магнитно поле трябва да има своите полюси. И те съществуват, просто се намират малко встрани от географския полюс. Как го чувстваме? Например птиците са развили навигационни способности и се ориентират по-специално чрез магнитното поле. И така, с негова помощ гъските пристигат благополучно в Лапландия. Специалните навигационни устройства също използват този феномен.

Източниците на магнитното поле са движещ се електрически заряди(течения) . В пространството около проводниците с ток възниква магнитно поле, точно както в пространството около неподвижните електрически заряди, електрическо поле. Магнитното поле на постоянните магнити също се създава от електрически микротокове, циркулиращи вътре в молекулите на веществото (хипотезата на Ампер).

За да се опише магнитното поле, е необходимо да се въведе силова характеристика на полето, подобна на вектора напрежения електрическо поле. Тази характеристика е вектор на магнитна индукцияВекторът на магнитната индукция определя силите, действащи върху токове или движещи се заряди в магнитно поле.
За положителна посока на вектора се приема посоката от южния полюс S към северния полюс N на магнитната стрелка, която е свободно разположена в магнитното поле. По този начин, чрез изследване на магнитното поле, създадено от ток или постоянен магнит с помощта на малка магнитна игла, е възможно във всяка точка на пространството

За да се опише количествено магнитното поле, е необходимо да се посочи метод за определяне не само
посока на вектора но и неговия модулМодулът на вектора на магнитната индукция е равен на отношението максимална стойност
Сила на Ампер, действаща върху прав проводник с ток, до силата на тока азв проводника и неговата дължина Δ л :

Силата на Ампер е насочена перпендикулярно на вектора на магнитната индукция и посоката на тока, протичащ през проводника. За определяне на посоката на силата на Ампер обикновено се използва правило на лявата ръка: ако е поставен лява ръкатака че индукционните линии да влизат в дланта, а протегнатите пръсти да са насочени по течението, след това изтеглените палецпоказва посоката на силата, действаща върху проводника.

Междупланетно магнитно поле

Ако междупланетното пространство беше вакуум, тогава единствените магнитни полета в него биха могли да бъдат само полетата на Слънцето и планетите, както и поле от галактически произход, което се простира по спиралните разклонения на нашата Галактика. В този случай полетата на Слънцето и планетите в междупланетното пространство биха били изключително слаби.
Всъщност междупланетното пространство не е вакуум, а е изпълнено с йонизиран газ, излъчван от Слънцето (слънчев вятър). Концентрацията на този газ е 1-10 cm -3, типичните скорости са между 300 и 800 km/s, температурата е близо до 10 5 K (припомнете си, че температурата на короната е 2 × 10 6 K).
слънчев вятър– изтичане на плазма от слънчевата корона в междупланетното пространство. На нивото на земната орбита средната скорост на частиците на слънчевия вятър (протони и електрони) е около 400 km/s, броят на частиците е няколко десетки на 1 cm3.

Английският учен Уилям Гилбърт, придворен лекар на кралица Елизабет, пръв през 1600 г. показва, че Земята е магнит, чиято ос не съвпада с оста на въртене на Земята. Следователно около Земята, както около всеки магнит, има магнитно поле. През 1635 г. Гелибранд открива, че магнитното поле на Земята се променя бавно, а Едмънд Халей провежда първото в света магнитно изследване на океаните и създава първите в света магнитни карти (1702 г.). През 1835 г. Гаус извършва сферичен хармоничен анализ на магнитното поле на Земята. Той създава първата в света магнитна обсерватория в Гьотинген.

Няколко думи за магнитните карти. Обикновено на всеки 5 години разпределението на магнитното поле на земната повърхност се представя чрез магнитни карти на три или повече магнитни елемента. На всяка от тези карти са начертани изолинии, по които даден елемент има постоянна стойност. Линиите с еднаква деклинация D се наричат ​​изогони, наклоните I се наричат ​​изоклини, а величините с обща сила B се наричат ​​изодинамични линии или изодини. Изомагнитните линии на елементите H, Z, X и Y се наричат ​​съответно изолинии на хоризонталните, вертикалните, северните или източните компоненти.

Да се ​​върнем към чертежа. Той показва кръг с ъглов радиус 90° - d, който описва положението на Слънцето върху земната повърхност. Дъгата на голямата окръжност, начертана през точка P и геомагнитния полюс B, пресича тази окръжност в точките H' n и H' m, които показват съответно позицията на Слънцето в моментите на геомагнитно пладне и геомагнитна полунощ на точка P. Тези моментите зависят от географската ширина на точка P. Позиции Слънцето в местния истински пладне и полунощ са обозначени съответно с точки H n и H m. Когато d е положителен (лято в северното полукълбо), тогава сутрешната половина на геомагнитния ден не е равна на вечерта. На високи географски ширини геомагнитното време може да бъде много различно от истинското или средното време през по-голямата част от деня.
Говорейки за времето и координатните системи, нека поговорим и за отчитането на ексцентричността на магнитния дипол. Ексцентричният дипол бавно се измества навън (на север и запад) от 1836 г. насам. Пресякъл ли е екваториалната равнина? около 1862 г. Радиалната му траектория се намира в района на остров Гилбърт в Тихи океан

ДЕЙСТВИЕ НА МАГНИТНОТО ПОЛЕ ВЪРХУ ТОК

Във всеки сектор скоростта на слънчевия вятър и плътността на частиците варират систематично. Наблюденията на ракетите показват, че и двата параметъра рязко нарастват на границата на сектора. В края на втория ден след преминаване на границата на сектора, плътността много бързо, а след това, след два-три дни, бавно започва да се увеличава. Скоростта на слънчевия вятър бавно намалява на втория или третия ден след достигане на своя пик. Секторната структура и отбелязаните вариации в скоростта и плътността са тясно свързани с магнитосферните смущения. Секторната структура е доста стабилна, така че цялата структура на потока се върти със Слънцето за поне няколко слънчеви оборота, преминавайки над Земята приблизително на всеки 27 дни.

Магнитното поле е специална форма на материя, която се създава от магнити, проводници с ток (движещи се заредени частици) и която може да бъде открита чрез взаимодействието на магнити, проводници с ток (движещи се заредени частици).

Опитът на Ерстед

Първите експерименти (извършени през 1820 г.), които показват, че има дълбока връзка между електрическите и магнитните явления, са експериментите на датския физик Х. Ерстед.

Магнитна стрелка, разположена в близост до проводник, се върти под определен ъгъл, когато токът в проводника е включен. Когато веригата се отвори, стрелката се връща в първоначалното си положение.

От опита на G. Oersted следва, че около този проводник има магнитно поле.

Опитът на Ампер
Два успоредни проводника, носещи електричество, взаимодействат помежду си: привличат се, ако токовете са в една и съща посока, и се отблъскват, ако токовете са в противоположна посока. Това се дължи на взаимодействието на магнитните полета, възникващи около проводниците.

Свойства на магнитното поле

1. Материално, т.е. съществува независимо от нас и нашето знание за него.

2. Създадени от магнити, проводници с ток (движещи се заредени частици)

3. Открива се чрез взаимодействие на магнити, проводници с ток (движещи се заредени частици)

4. Действа върху магнити, проводници с ток (движещи се заредени частици) с известна сила

5. В природата няма магнитни заряди. Не можете да разделите северния и южния полюс и да получите тяло с един полюс.

6. Причината, поради която телата имат магнитни свойства, е открита от френския учен Ампер. Ампер направи извода, че магнитните свойства на всяко тяло се определят от затворени електрически токове вътре в него.

Тези токове представляват движението на електрони около орбитите в атома.

Ако равнините, в които циркулират тези токове, са разположени произволно една спрямо друга поради топлинно движениемолекули, които изграждат тялото, тогава техните взаимодействия са взаимно компенсирани и не магнитни свойстватялото не се открива.

И обратно: ако равнините, в които се въртят електроните, са успоредни една на друга и посоките на нормалите към тези равнини съвпадат, тогава такива вещества усилват външното магнитно поле.

7. В магнитно поле действат магнитни сили в определени посоки, които се наричат ​​магнитни силови линии. С тяхна помощ можете удобно и ясно да покажете магнитното поле в конкретен случай.

За да се изобрази по-точно магнитното поле, беше договорено, че в онези места, където полето е по-силно, силовите линии трябва да бъдат показани по-плътни, т.е. по-близо един до друг. И обратно, на места, където полето е по-слабо, се показват по-малко полеви линии, т.е. по-рядко разположени.

8. Магнитното поле се характеризира с вектора на магнитната индукция.

Векторът на магнитната индукция е векторна величина, характеризираща магнитното поле.

Посоката на вектора на магнитната индукция съвпада с посоката Северен полюссвободна магнитна игла в дадена точка.

Посоката на вектора на индукция на полето и силата на тока I са свързани с "правилото на десния винт (гимлет)":

ако завиете гилза по посока на тока в проводника, тогава посоката на скоростта на движение на края на дръжката му в дадена точка ще съвпадне с посоката на вектора на магнитната индукция в тази точка.

Магнитно поле- това е материалната среда, чрез която възниква взаимодействие между проводници с ток или движещи се заряди.

Свойства на магнитното поле:

Характеристики на магнитното поле:

За изследване на магнитното поле се използва тестова верига с ток. Той е малък по размер и токът в него е много по-малък от тока в проводника, създаващ магнитното поле. От противоположните страни на токопроводящата верига действат сили от магнитното поле, които са еднакви по големина, но насочени в противоположни посоки, тъй като посоката на силата зависи от посоката на тока. Приложните точки на тези сили не лежат на една и съща права линия. Такива сили се наричат няколко сили. В резултат на действието на двойка сили веригата не може да се движи транслационно; тя се върти около оста си. Характеризира се въртеливото действие въртящ момент.

, Където л–лост няколко сили(разстояние между точките на прилагане на силите).

Тъй като токът в изпитвателната верига или площта на веригата се увеличава, въртящият момент на двойката сили ще се увеличи пропорционално. Съотношението на максималния момент на сила, действащ върху веригата с ток, към големината на тока във веригата и площта на веригата е постоянна стойност за дадена точка в полето. Нарича се магнитна индукция.

, Където
-магнитен моментверига с ток.

Мерна единицамагнитна индукция - Тесла [T].

Магнитен момент на веригата– векторна величина, чиято посока зависи от посоката на тока във веригата и се определя от правило за десен винт: стиснете дясната си ръка в юмрук, насочете четири пръста по посока на тока във веригата, след което палецът ще покаже посоката на вектора на магнитния момент. Векторът на магнитния момент винаги е перпендикулярен на равнината на контура.

Отзад посока на вектора на магнитната индукциявземете посоката на вектора на магнитния момент на веригата, ориентиран в магнитното поле.

Линия на магнитна индукция– права, чиято допирателна във всяка точка съвпада с посоката на вектора на магнитната индукция. Линиите на магнитната индукция са винаги затворени и никога не се пресичат. Линии на магнитна индукция на прав проводникс ток имат формата на кръгове, разположени в равнина, перпендикулярна на проводника. Посоката на линиите на магнитната индукция се определя от правилото на десния винт. Линии на магнитна индукция на кръгов ток(завои с ток) също имат формата на кръгове. Всеки елемент на бобина е с дължина
може да си представим като прав проводник, който създава собствено магнитно поле. За магнитните полета се прилага принципът на суперпозиция (независимо добавяне). Общият вектор на магнитната индукция на кръговия ток се определя като резултат от добавянето на тези полета в центъра на завоя съгласно правилото на десния винт.

Ако големината и посоката на вектора на магнитната индукция са еднакви във всяка точка на пространството, тогава магнитното поле се нарича хомогенен. Ако големината и посоката на вектора на магнитната индукция във всяка точка не се променят с течение на времето, тогава такова поле се нарича постоянен.

величина магнитна индукциявъв всяка точка на полето е право пропорционална на силата на тока в проводника, създаващ полето, обратно пропорционална на разстоянието от проводника до дадена точка на полето, зависи от свойствата на средата и формата на проводника, създаващ областта.

, Където
НА 2 ; Gn/m – магнитна константа на вакуума,

-относителна магнитна проницаемост на средата,

-абсолютна магнитна проницаемост на средата.

В зависимост от стойността на магнитната проницаемост всички вещества се разделят на три класа:

С увеличаване на абсолютната пропускливост на средата се увеличава и магнитната индукция в дадена точка на полето. Съотношението на магнитната индукция към абсолютната магнитна пропускливост на средата е постоянна стойност за дадена поли точка, e се нарича напрежение.

.

Векторите на напрежението и магнитната индукция съвпадат по посока. Силата на магнитното поле не зависи от свойствата на средата.

Амперна мощност– силата, с която магнитното поле действа върху проводник с ток.

Където л– дължина на проводника, - ъгълът между вектора на магнитната индукция и посоката на тока.

Посоката на силата на Ампер се определя от правило на лявата ръка: лявата ръка е разположена така, че компонентът на вектора на магнитната индукция, перпендикулярен на проводника, да влезе в дланта, четири удължени пръста са насочени по протежение на тока, след това палецът, огънат на 90 0, ще покаже посоката на силата на Ампер.

Резултатът от силата на Ампер е движението на проводника в дадена посока.

д ако = 90 0, тогава F=max, ако = 0 0 , тогава F = 0.

Сила на Лоренц– силата на магнитното поле върху движещ се заряд.

, където q е зарядът, v е скоростта на движението му, - ъгълът между векторите на опън и скорост.

Силата на Лоренц винаги е перпендикулярна на векторите на магнитната индукция и скоростта. Посоката се определя от правило на лявата ръка(пръстите следват движението на положителния заряд). Ако посоката на скоростта на частицата е перпендикулярна на линиите на магнитна индукция на еднородно магнитно поле, тогава частицата се движи в кръг, без да променя кинетичната си енергия.

Тъй като посоката на силата на Лоренц зависи от знака на заряда, тя се използва за разделяне на зарядите.

Магнитен поток– стойност, равна на броя линии на магнитна индукция, които преминават през всяка област, разположена перпендикулярно на линиите на магнитна индукция.

, Където - ъгълът между магнитната индукция и нормалата (перпендикуляра) към областта S.

Мерна единица– Вебер [Wb].

Методи за измерване на магнитен поток:

Промяна на ориентацията на сайта в магнитно поле (промяна на ъгъла)

Промяна на площта на верига, поставена в магнитно поле

Промяна на силата на тока, създаващ магнитно поле

Промяна на разстоянието на веригата от източника на магнитно поле

Промени в магнитните свойства на средата.

Е Арадей регистрира електрически ток във верига, която не съдържа източник, но се намира до друга верига, съдържаща източник. Освен това токът в първата верига възниква в следните случаи: при всяка промяна на тока във верига А, при относително движение на веригите, при въвеждане на железен прът във верига А, при движение на постоянен магнит относително към верига B. Насоченото движение на свободни заряди (ток) възниква само в електрическо поле. Това означава, че променящото се магнитно поле генерира електрическо поле, което задвижва свободните заряди на проводника. Това електрическо поле се нарича индуциранили вихър.

Разлики между вихрово електрическо поле и електростатично поле:

Източникът на вихровото поле е променящо се магнитно поле.

Линиите на интензитета на вихровото поле са затворени.

Работата, извършена от това поле за преместване на заряд по затворена верига, не е нула.

Енергийната характеристика на вихровото поле не е потенциалът, а индуцирана емф– стойност, равна на работата на външните сили (сили с неелектростатичен произход) за преместване на единица заряд по затворена верига.

.Измерено във волтове[IN].

Вихрово електрическо поле възниква при всяка промяна в магнитното поле, независимо дали има проводяща затворена верига или не. Веригата позволява само да се открие вихровото електрическо поле.

Електромагнитна индукция- това е появата на индуцирана ЕДС в затворена верига с всяка промяна в магнитния поток през нейната повърхност.

Индуцираната ЕДС в затворена верига генерира индуциран ток.

.

Посока на индукционния токопределя се от Правилото на Ленц: индуцираният ток е в такава посока, че създаденото от него магнитно поле противодейства на всяка промяна в магнитния поток, който генерира този ток.

Законът на Фарадей за електромагнитната индукция: Индуцираната ЕДС в затворен контур е право пропорционална на скоростта на промяна на магнитния поток през повърхността, ограничена от контура.

T оки фуко– вихрови индукционни токове, които възникват в големи проводници, поставени в променящо се магнитно поле. Съпротивлението на такъв проводник е ниско, тъй като има голямо напречно сечение S, така че токовете на Фуко могат да бъдат големи по стойност, в резултат на което проводникът се нагрява.

Самоиндукция- това е появата на индуцирана ЕДС в проводник, когато силата на тока в него се промени.

Проводник, по който протича ток, създава магнитно поле. Магнитната индукция зависи от силата на тока, следователно от собствената си магнитен потокзависи и от силата на тока.

, където L е коефициентът на пропорционалност, индуктивност.

Мерна единицаиндуктивност – Хенри [H].

Индуктивностпроводник зависи от неговия размер, форма и магнитна пропускливост на средата.

Индуктивностнараства с увеличаване на дължината на проводника, индуктивността на един намотка е по-голяма от индуктивността на прав проводник със същата дължина, индуктивността на намотка (проводник с голям брой навивки) е по-голяма от индуктивността на един навивка , индуктивността на бобината се увеличава, ако в нея се постави железен прът.

Закон на Фарадей за самоиндукция:
.

Самоиндуцирана емфе право пропорционална на скоростта на промяна на тока.

Самоиндуцирана емфгенерира самоиндукционен ток, който винаги предотвратява промяната на тока във веригата, тоест, ако токът се увеличи, самоиндукционният ток се насочва в обратна посока, когато токът във веригата намалява, самоиндукционният ток се насочва в обратна посока; индукционният ток е насочен в същата посока. Колкото по-голяма е индуктивността на бобината, толкова по-голяма е самоиндуктивната ЕДС, която възниква в нея.

Енергия на магнитното полее равна на работата, която токът извършва, за да преодолее самоиндуцираната едс през времето, докато токът нараства от нула до максималната стойност.

.

Електромагнитни вибрации– това са периодични промени в заряда, силата на тока и всички характеристики на електрическите и магнитните полета.

Електрическа осцилираща система(осцилиращ кръг) се състои от кондензатор и индуктор.

Условия за възникване на трептения:

Системата трябва да бъде изведена от равновесие, заредете кондензатора. Енергия на електрическото поле на зареден кондензатор:

.

Системата трябва да се върне в състояние на равновесие. Под въздействието на електрическо поле зарядът се прехвърля от една плоча на кондензатора към друга, тоест във веригата се появява електрически ток, който протича през намотката. С увеличаването на тока в индуктора възниква едс на самоиндукция; токът на самоиндукция е насочен в обратна посока. Когато токът в бобината намалява, токът на самоиндукция е насочен в същата посока. По този начин токът на самоиндукция се стреми да върне системата в състояние на равновесие.

Електрическото съпротивление на веригата трябва да е ниско.

Идеален колебателен кръгняма съпротива. Вибрациите в него се наричат Безплатно.

За всяка електрическа верига е изпълнен законът на Ом, според който ЕДС, действаща във веригата, е равна на сумата от напреженията във всички секции на веригата. В осцилаторната верига няма източник на ток, но в индуктора се появява самоиндуктивна ЕДС, която е равна на напрежението върху кондензатора.

Заключение: зарядът на кондензатора се променя според хармоничен закон.

Напрежение на кондензатора:
.

Сила на тока във веригата:
.

величина
- амплитуда на тока.

Разликата от таксата на
.

Период на свободни трептения във веригата:

Енергия на електрическото поле на кондензатор:

Енергия на магнитното поле на намотката:

Енергиите на електрическото и магнитното поле се променят по хармоничен закон, но фазите на техните колебания са различни: когато енергията на електрическото поле е максимална, енергията на магнитното поле е нула.

Обща енергия на трептящата система:
.

IN идеален контуробщата енергия не се променя.

По време на процеса на трептене енергията на електрическото поле се преобразува напълно в енергията на магнитното поле и обратно. Това означава, че енергията във всеки момент от времето е равна на максималната енергия на електрическото поле или на максималната енергия на магнитното поле.

Реален трептящ кръгсъдържа съпротива. Вибрациите в него се наричат затихване.

Законът на Ом ще приеме формата:

При условие, че затихването е малко (квадратът на собствената честота на трептенията е много по-голям от квадрата на коефициента на затихване), логаритмичният декремент на затихване е:

При силно затихване (квадратът на естествената честота на трептене е по-малък от квадрата на коефициента на трептене):

Това уравнение описва процеса на разреждане на кондензатор в резистор. При липса на индуктивност няма да възникнат трептения. Съгласно този закон напрежението върху пластините на кондензатора също се променя.

Обща енергияв реална верига намалява, тъй като топлината се отделя в съпротивлението R по време на преминаването на тока.

Процес на преход– процес, който протича в електрическите вериги при преход от един работен режим към друг. Приблизително по време ( ), по време на което параметърът, характеризиращ преходния процес, ще се промени с e пъти.

За схема с кондензатор и резистор:
.

Теорията на Максуел за електромагнитното поле:

1 позиция:

Всяко променливо електрическо поле генерира вихрово магнитно поле. Променливото електрическо поле е наречено от Максуел ток на изместване, тъй като то, подобно на обикновен ток, причинява магнитно поле.

За да откриете тока на изместване, помислете за преминаването на ток през система, в която е свързан кондензатор с диелектрик.

Плътност на тока на отклонение:
. Плътността на тока е насочена по посока на промяната на напрежението.

Първото уравнение на Максуел:
- вихровото магнитно поле се генерира както от токове на проводимост (движещи се електрически заряди), така и от токове на изместване (променливо електрическо поле E).

2 позиция:

Всяко променливо магнитно поле генерира вихрово електрическо поле - основният закон на електромагнитната индукция.

Второто уравнение на Максуел:
- свързва скоростта на промяна на магнитния поток през всяка повърхност и циркулацията на вектора на силата на електрическото поле, който възниква едновременно.

Всеки проводник, по който протича ток, създава магнитно поле в пространството. Ако токът е постоянен (не се променя с времето), тогава свързаното с него магнитно поле също е постоянно. Променливият ток създава променящо се магнитно поле. Вътре в проводник, по който протича ток, има електрическо поле. Следователно променящото се електрическо поле създава променящо се магнитно поле.

Магнитното поле е вихрово, тъй като линиите на магнитна индукция винаги са затворени. Големината на напрегнатостта на магнитното поле H е пропорционална на скоростта на промяна на напрегнатостта на електрическото поле . Посока на вектора на напрегнатост на магнитното поле свързани с промени в напрегнатостта на електрическото поле Правило на десния винт: стиснете дясната си ръка в юмрук, насочете палеца си в посоката на промяната в силата на електрическото поле, тогава свитите 4 пръста ще покажат посоката на линиите на силата на магнитното поле.

Всяко променящо се магнитно поле създава вихрово електрическо поле, чиито линии на напрежение са затворени и разположени в равнина, перпендикулярна на силата на магнитното поле.

Големината на интензитета E на вихровото електрическо поле зависи от скоростта на промяна на магнитното поле . Посоката на вектора E е свързана с посоката на промяна в магнитното поле H по правилото на левия винт: стиснете лявата си ръка в юмрук, насочете палеца си в посоката на промяната в магнитното поле, свитите четири пръста ще показват посоката на линиите на интензитет на вихровото електрическо поле.

Съвкупността от взаимосвързани вихрови електрически и магнитни полета представлява електромагнитно поле. Електромагнитното поле не остава в точката на възникване, а се разпространява в пространството под формата на напречна електромагнитна вълна.

Електромагнитна вълна– това е разпространението в пространството на свързани помежду си вихрови електрически и магнитни полета.

Условие за възникване на електромагнитна вълна– движение на заряда с ускорение.

Уравнение на електромагнитната вълна:

- циклична честота на електромагнитните трептения

t – време от началото на трептенията

l – разстоянието от източника на вълната до дадена точка в пространството

- скорост на разпространение на вълната

Времето, необходимо на една вълна да премине от своя източник до дадена точка.

Векторите E и H в електромагнитна вълна са перпендикулярни един на друг и на скоростта на разпространение на вълната.

Източник на електромагнитни вълни– проводници, през които протичат бързопроменливи токове (макроемитери), както и възбудени атоми и молекули (микроемитери). Колкото по-висока е честотата на трептене, толкова по-добри електромагнитни вълни се излъчват в пространството.

Свойства на електромагнитните вълни:

Всички електромагнитни вълни са напречен

В хомогенна среда електромагнитни вълни разпространяват с постоянна скорост, което зависи от свойствата на околната среда:

- относителна диелектрична проницаемост на средата

- диелектрична константа на вакуум,
F/m, Cl2/nm2

- относителна магнитна проницаемост на средата

- магнитна константа на вакуума,
НА 2 ; Gn/m

Електромагнитни вълни отразено от препятствия, погълнато, разпръснато, пречупено, поляризирано, дифрактирано, интерферирано.

Обемна енергийна плътностЕлектромагнитното поле се състои от обемните енергийни плътности на електрическото и магнитното поле:

Плътност на вълновия енергиен поток - интензитет на вълната:

-Вектор на Умов-Пойнтинг.

Всички електромагнитни вълни са подредени в поредица от честоти или дължини на вълните (
). Този ред е скала на електромагнитните вълни.

Нискочестотни вибрации. 0 – 10 4 Hz. Получава се от генератори. Те излъчват лошо

Радио вълни. 10 4 – 10 13 Hz. Те се излъчват от твърди проводници, пренасящи бързо променливи токове.

Инфрачервено лъчение– вълни, излъчвани от всички тела при температури над 0 K, дължащи се на вътрешноатомни и вътрешномолекулни процеси.

Видима светлина – вълни, които действат върху окото, предизвиквайки зрително усещане. 380-760 nm

Ултравиолетова радиация. 10 – 380 nm. Видимата светлина и UV се появяват, когато движението на електроните във външните обвивки на атома се промени.

Рентгеново лъчение. 80 – 10 -5 nm. Възниква, когато движението на електроните във вътрешните обвивки на атома се промени.

Гама радиация. Възниква при разпадането на атомните ядра.

Магнитно поле и неговите характеристики

Конспект на лекцията:

Магнитно поле, неговите свойства и характеристики.

Магнитно поле- формата на съществуване на материята около движещи се електрически заряди (проводници с ток, постоянни магнити).

Това име се дължи на факта, че, както датският физик Ханс Оерстед открива през 1820 г., има ориентиращ ефект върху магнитната стрелка. Експериментът на Ерстед: магнитна игла се поставя под проводник с ток, въртящ се върху игла. Когато токът беше включен, той беше инсталиран перпендикулярно на жицата; когато посоката на тока се промени, той се обърна в обратна посока.

Основни свойства на магнитното поле:

генерирани от движещи се електрически заряди, проводници с ток, постоянни магнити и променливо електрическо поле;

действа със сила върху движещи се електрически заряди, проводници с ток и намагнитни тела;

променливото магнитно поле генерира променливо електрическо поле.

От опита на Ерстед следва, че магнитното поле е насочено и трябва да има векторна силова характеристика. Означава се и се нарича магнитна индукция.

Магнитното поле се представя графично с помощта на магнитни силови линии или линии на магнитна индукция. Магнитна сила линииТова са линиите, по които са разположени железните стружки или осите на малките магнитни игли в магнитно поле. Във всяка точка на такава линия векторът е насочен по допирателна.

Линиите на магнитната индукция винаги са затворени, което показва липсата на магнитни заряди в природата и вихровия характер на магнитното поле.

Обикновено те напускат северния полюс на магнита и навлизат в южния. Плътността на линиите е избрана така, че броят на линиите на единица площ, перпендикулярна на магнитното поле, да е пропорционален на големината на магнитната индукция.

н

Магнитен соленоид с ток

Посоката на линиите се определя от правилото за десния винт. Соленоидът е намотка с ток, чиито завои са разположени близо един до друг, а диаметърът на завоя е много по-малък от дължината на намотката.

Магнитното поле вътре в соленоида е равномерно. Магнитното поле се нарича равномерно, ако векторът е постоянен във всяка точка.

Магнитното поле на соленоида е подобно на магнитното поле на пръчковия магнит.

СЪС
Соленоидът с ток е електромагнит.

Опитът показва, че за магнитно поле, както и за електрическо поле, принцип на суперпозиция: индукцията на магнитно поле, създадено от няколко тока или движещи се заряди, е равна на векторната сума на индукцията на магнитните полета, създадени от всеки ток или заряд:

Векторът се въвежда по един от 3 начина:

а) от закона на Ампер;

б) чрез въздействието на магнитно поле върху рамка с ток;

в) от израза за силата на Лоренц.

Ампер експериментално установи, че силата, с която магнитното поле действа върху елемент от проводник с ток I, разположен в магнитно поле, е право пропорционална на силата

ток I и векторното произведение на елемента на дължината и магнитната индукция:

- Закон на Ампер

н
Посоката на вектора може да се намери според общите правила на векторното произведение, от което следва правилото на лявата ръка: ако дланта на лявата ръка е разположена така, че магнитните силови линии да влизат в нея, а 4 изпънатите пръсти са насочени по течението, тогава свитият палец ще покаже посоката на силата.

Силата, действаща върху тел с крайна дължина, може да се намери чрез интегриране по цялата дължина.

Когато I = const, B=const, F = BIlsin

Ако  =90 0, F = BIl

Индукция на магнитно поле- векторна физическа величина, числено равна на силата, действаща в еднородно магнитно поле върху проводник с единична дължина с единичен ток, разположен перпендикулярно на магнитните силови линии.

1T е индукция на еднородно магнитно поле, при което сила от 1N действа върху проводник с дължина 1m с ток от 1A, разположен перпендикулярно на магнитните силови линии.

Досега разглеждахме макротокове, протичащи в проводници. Въпреки това, според предположението на Ампер, във всяко тяло има микроскопични токове, причинени от движението на електрони в атомите. Тези микроскопични молекулярни токове създават собствено магнитно поле и могат да се въртят в полетата на макротокове, създавайки допълнително магнитно поле в тялото. Векторът характеризира полученото магнитно поле, създадено от всички макро- и микротокове, т.е. при един и същ макроток векторът в различни среди има различни стойности.

Магнитното поле на макротоковете се описва от вектора на магнитния интензитет.

За хомогенна изотропна среда

,

 0 = 410 -7 H/m - магнитна константа,  0 = 410 -7 N/A 2,

 е магнитната проницаемост на средата, показваща колко пъти се променя магнитното поле на макротоковете поради полето на микротоковете на средата.

Магнитен поток. Теорема на Гаус за магнитния поток.

Векторен поток(магнитен поток) през платформата dSнаречена скаларна величина, равна на

където е проекцията върху посоката на нормалата към обекта;

 - ъгъл между векторите и.

Насочен повърхностен елемент,

Векторният поток е алгебрична величина,

Ако - при напускане на повърхността;

Ако - при навлизане на повърхността.

Потокът на вектора на магнитната индукция през произволна повърхност S е равен на

За еднородно магнитно поле = const,

1 Wb - магнитен поток, преминаващ през плоска повърхност с площ от 1 m 2, разположена перпендикулярно на равномерно магнитно поле, чиято индукция е 1 T.

Магнитният поток през повърхността S е числено равен на броя на линиите на магнитното поле, пресичащи тази повърхност.

Тъй като линиите на магнитна индукция винаги са затворени, за затворена повърхност броят на линиите, влизащи в повърхността (Ф 0), следователно общият поток на магнитна индукция през затворена повърхност е нула.

- Теорема на Гаус: Потокът на вектора на магнитната индукция през всяка затворена повърхност е нула.

Тази теорема е математически израз на факта, че в природата няма магнитни заряди, върху които започват или завършват линиите на магнитната индукция.

Законът на Био-Савар-Лаплас и приложението му за изчисляване на магнитни полета.

Магнитното поле на постоянни токове с различни форми е подробно изследвано от Фр. учени Био и Савар. Те установиха, че във всички случаи магнитната индукция в произволна точка е пропорционална на силата на тока и зависи от формата, размера на проводника, местоположението на тази точка по отношение на проводника и от околната среда.

Резултатите от тези експерименти са обобщени от о. математик Лаплас, който взе предвид векторния характер на магнитната индукция и предположи, че индукцията във всяка точка е, според принципа на суперпозицията, векторната сума на индукциите на елементарни магнитни полета, създадени от всяка секция на този проводник.

Лаплас формулира закон през 1820 г., наречен закон на Био-Савар-Лаплас: всеки елемент от проводник с ток създава магнитно поле, чийто вектор на индукция в произволна точка K се определя по формулата:

- Закон на Био-Савар-Лаплас.

От закона на Био-Совар-Лаплас следва, че посоката на вектора съвпада с посоката на векторния продукт. Същата посока се дава от правилото на десния винт (Gimlet).

като се има предвид това,

Проводник, сънасочен с тока;

Радиус вектор, свързващ точка K;

Законът на Био-Савар-Лаплас има практическо значение, тъй като ви позволява да намерите в дадена точка в пространството индукцията на магнитното поле на ток, протичащ през проводник с крайни размери и произволна форма.

За ток с произволна форма такова изчисление е сложен математически проблем. Въпреки това, ако разпределението на тока има определена симетрия, тогава прилагането на принципа на суперпозицията заедно със закона на Biot-Savart-Laplace прави възможно сравнително просто да се изчислят специфичните магнитни полета.

Нека да разгледаме някои примери.

А. Магнитно поле на прав проводник, по който тече ток.

за проводник с крайна дължина:

за проводник с безкрайна дължина:  1 = 0,  2 = 

B. Магнитно поле в центъра на кръговия ток:

=90 0 , sin=1,

Ерстед експериментално открива през 1820 г., че циркулацията в затворен контур около система от макротокове е пропорционална на алгебричната сума на тези токове. Коефициентът на пропорционалност зависи от избора на система от единици и в SI е равен на 1.

° С
Циркулацията на вектор се нарича интеграл със затворен контур.

Тази формула се нарича теорема за циркулацията или закон за тоталния ток:

циркулацията на вектора на напрегнатостта на магнитното поле по произволна затворена верига е равна на алгебричната сума на макротоковете (или общия ток), обхванати от тази верига. неговият характеристикиВ пространството около токове и постоянни магнити възниква сила поле, Наречен магнитен. Наличност магнитен полетасе разкрива...