Получаване на картина на магнитното поле. Презентация - магнитно поле и неговото изображение
Графично изображение магнитно поле. Векторен поток на магнитна индукция
Магнитното поле може да бъде представено графично с помощта на линии на магнитна индукция. Линия на магнитна индукция е линия, чиято допирателна във всяка точка съвпада с посоката на вектора на индукция на магнитното поле (фиг. 6).
Изследванията показват, че магнитните индукционни линии са затворени линии, които обхващат токове. Плътността на линиите на магнитна индукция е пропорционална на големината на вектора в дадено място в полето. В случай на магнитно поле с постоянен ток, линиите на магнитната индукция имат формата на концентрични окръжности, разположени в равнини, перпендикулярни на тока, с център на правата линия с тока. Посоката на линиите на магнитна индукция, независимо от формата на тока, може да се определи с помощта на правилото на гимлета. В случай на магнитно поле с постоянен ток, гилетът трябва да се завърти така, че неговото транслационно движение да съвпада с посоката на тока в жицата, тогава ротационното движение на дръжката на гимлета ще съвпадне с посоката на линиите на магнитната индукция ( Фиг. 7).
На фиг. 8 и 9 показват изображения на линиите на магнитната индукция на полето на кръговия ток и полето на соленоида. Соленоидът е съвкупност от кръгови токове с обща ос.
Линиите на индукционния вектор вътре в соленоида са успоредни една на друга, плътността на линиите е еднаква, полето е равномерно (= const). Полето на соленоид е подобно на това на постоянен магнит. Краят на соленоида, от който излизат индукционните линии, е подобен на северния полюс - N, противоположният край на соленоида е подобен на южния полюс - S.
Броят на линиите на магнитна индукция, които проникват през определена повърхност, се нарича магнитен поток през тази повърхност. Определете магнитен потокбуква Ф в (или Ф).
 ,
| (3) |
Където α е ъгълът, образуван от вектора и нормалата към повърхността (фиг. 10).
– проекция на вектора върху нормалата към областта S.
Магнитният поток се измерва във вебери (Wb): [F]=[B]× [S]=T× m 2 = =
Знаем, че проводник с ток създава магнитно поле около себе си. Постоянният магнит също създава магнитно поле. Ще бъдат ли различни полетата, които те създават? Несъмнено ще го направят. Разликата между тях може да се види ясно, ако създадете графични изображения на магнитни полета. Линиите на магнитното поле ще бъдат насочени по различен начин.
Еднородни магнитни полета
Кога тоководещ проводник магнитни линииобразуват затворени концентрични кръгове около проводника. Ако погледнем напречно сечение на проводник с ток и магнитното поле, което създава, ще видим набор от кръгове различни диаметри. Картината вляво показва само проводник, по който протича ток.
Колкото по-близо сте до проводника, толкова по-силен е ефектът на магнитното поле. Когато се отдалечите от проводника, действието и съответно силата на магнитното поле ще намалее.
Кога постоянен магнитимаме линии, излизащи от южния полюс на магнита, минаващи покрай тялото на самия магнит и навлизащи в него Северен полюс.
След като скицирахме графично такъв магнит и магнитните линии на магнитното поле, образувано от него, ще видим, че ефектът на магнитното поле ще бъде най-силен в близост до полюсите, където магнитните линии са най-плътно разположени. Картината вляво с два магнита просто изобразява магнитното поле на постоянните магнити.
Ще видим подобна картина на местоположението на магнитните линии в случай на соленоид или намотка с ток. Магнитните линии ще имат най-голям интензитет в двата края или краищата на намотката. Във всички горепосочени случаи имахме нееднородно магнитно поле. Магнитните линии имаха различна посока, а плътността им беше различна.
Може ли магнитното поле да бъде еднородно?
Ако се вгледаме внимателно графично изображениесоленоид, ще видим, че магнитните линии са успоредни и имат еднаква плътност само на едно място вътре в соленоида.
Същата картина ще се наблюдава вътре в тялото на постоянен магнит. И ако при постоянния магнит не можем да се „изкачим“ в тялото му, без да го разрушим, то при намотка без сърцевина или соленоид получаваме еднородно магнитно поле вътре в тях.
Такова поле може да се изисква от лице в редица технологични процеси, така че е възможно да се конструират соленоиди с достатъчен размер, за да позволят необходими процесивътре в тях.
Графично сме свикнали да изобразяваме магнитните линии като кръгове или сегменти, тоест изглежда, че ги виждаме отстрани или по дължина. Но какво ще стане, ако рисунката е създадена по такъв начин, че тези линии да са насочени към нас или към обратна странаот нас? След това те се изчертават под формата на точка или кръст.
Ако са насочени към нас, тогава те са изобразени като точка, сякаш е върха на стрела, летяща към нас. В обратния случай, когато са насочени встрани от нас, те са нарисувани под формата на кръст, сякаш са опашка на стрела, която се отдалечава от нас.
Магнитно поле (МП), графично представяне. Магнитна индукция на проводници с различна форма.
През 1820 г. Ерстед открива връзката между електричеството и магнетизма. Повтаряне на експериментите на Ерстед, Андре Мари Ампер стигна до извода: самият проводник с ток се превръща в магнит, така че той действа върху магнитната стрелка и я завърта. Магнитното поле е специален вид материя, която наистина съществува, т.е. независимо от нас, нашето знание за него.
MP имоти. Създаден от движещи се електрически заряди и токове.
Влияе върху движението електрически заряди, течения.
Електропроводите на MP са затворени, така че MP е
вихрово поле
Затвореността на линиите на магнитното поле е следствие от липсата на изолирани магнитни полюси в природата.
Векторни полета, чиито полеви линии са затворени, се наричат вихрови полета.
Магнитното поле е вихрово.
Магнитна индукция B – мощностна характеристика магнитно поле. Индукцията на магнитното поле може да се определи от силата, действаща върху проводник с ток в магнитно поле.Големината на вектора на магнитната индукция е съотношението на максималната сила, действаща от магнитното поле върху участък от проводник, по който протича ток, към произведението на силата на тока и дължината на този участък.
Линиите на магнитното поле - линии на магнитна индукция, са начертани по такъв начин, че допирателните към тях във всяка точка на полето да показват посоката на полето в тази точка; ще бъде разположена свободна малка магнитна стрелка във всяка точка на магнитното поле по посока на вектора на магнитната индукция. Линиите на магнитната индукция влизат в южния полюс и излизат от северния полюс.
За единица магнитна индукция се приема магнитната индукция на еднородно поле, в което върху участък от проводник с дължина 1 m и сила на тока 1 A се въздейства от поле с максимална сила 1 N. Следователно, магнитната индукция е мощностна характеристика на магнитното поле. Ако във всички точки на определена част от пространството векторът на индукция на магнитното поле има еднаква величина и една и съща посока, тогава магнитното поле се нарича равномерно.
Полето вътре в лентата с постоянен магнит и тоководещата намотка е еднородно магнитно поле.
Посока на силовите линии на постоянен ток дясна ръка. Ако захванете правия проводник с дланта на дясната си ръка, така че палецбеше насочен по протежение на тока, тогава четири пръста ще покажат посоката на линиите на магнитна индукция на текущото поле.
Посока на силовите линии на магнитното поле на кръговия ток. Ако четирите пръста на дясната ръка са насочени по протежение на тока, тогава удълженият палец ще покаже посоката на линиите на магнитна индукция на текущото поле.
Изображение на токове и магнитни полета.
Посоката на тока в проводника към нас е перпендикулярна на равнината на листа. - посоката на тока в проводника встрани от нас е перпендикулярна на равнината на листа.
При конструирането на картина на магнитно поле се използват същите правила, както при конструирането на картина електрическо полев електростатиката.
Линиите на магнитното поле (или на интензитета) са линии на магнитното поле. Линията, където магнитният потенциал е постоянен, се нарича еквипотенциална.
Ако феромагнитно тяло се въведе в магнитно поле, тогава силовите линии ще влязат в него под ъгъл 90 (т.е. полето е изкривено). Ако се въведе неферомагнитно тяло, тогава полето не се изкривява.
Аналогия на електростатични (електрически) и магнитни полета
Има два вида съвпадения.
1) Еднакво разпределение на линейни заряди в електростатично поле и линейни токове в магнитно поле.
В този случай моделите на полето са подобни, но силовите линии в електростатичното поле са еквипотенциални в магнитното поле и обратно, т.е. моделът на полето се завърта на ъгъл, значението на линиите се променя.
2) Еднаква форма на граничните еквипотенциални повърхнини в двете полета. В този случай моделите на полето са напълно сходни.
Физическата природа на полетата е различна, електростатичното поле се създава от заряди, магнитното поле се създава от ток, тоест в магнитно поле няма концепция за магнитен заряд ( 
, условно въведена стойност).
Индуктивност
За вериги (бобини) с магнитна проницаемост 
и не зависи от силата на магнитното поле, връзката на потока е пропорционална на тока
, Където
- коефициент на пропорционалност, наречен индуктивност;
- електричество.
Връзката на потока е равна на:
, Където
Ф – магнитен поток;
w – брой навивки.
От горните формули следва:
Индуктивността зависи от геометричните размери на веригата, броя на навивките и свойствата на средата, но не зависи от количеството ток, протичащ през намотката.
Метод за определяне на индуктивност :
Обикновено приемаме, че токът в намотката е известен.
Изразяваме магнитния поток чрез известен ток.
Заменяме магнитния поток във формулата за индуктивност, където неизвестните токове се анулират.
Методът за изчисляване на индуктивността е подобен на метода за изчисляване на капацитета
Пример: Определете индуктивността на намотка, равномерно навита върху сърцевина с правоъгълно напречно сечение, чийто вътрешен радиус е R 1, външният радиус R 2, височина h, брой навивки 
Съгласно закона за общия ток H се определя:
Поток през лента 
Пълен поток:
Връзката на потока е равна на:
ЕДС на самоиндукция и взаимна индукция
Едс на самоиндукция е пропорционална на скоростта на промяна на тока в тази бобина
-
Самоиндуцирана емф.
Феноменът на индуцирана ЕДС във всяка верига, когато токът се променя в друга верига, се нарича взаимна индукция, а индуцираната ЕДС е ЕДС на взаимна индукция.
- ЕМП на взаимна индукция,
където M е взаимна индуктивност.
Теми на кодификатора на Единния държавен изпит: взаимодействие на магнити, магнитно поле на проводник с ток.
Магнитните свойства на материята са известни на хората отдавна. Магнитите са получили името си от древния град Магнезия: в близост до него минералът (по-късно наречен магнитна желязна рудаили магнетит), парчета от които привличат железни предмети.
Магнитно взаимодействие
От двете страни на всеки магнит има Северен полюсИ Южен полюс. Два магнита се привличат един към друг от противоположни полюси и се отблъскват от еднакви полюси. Магнитите могат да си действат един на друг дори във вакуум! Всичко това обаче наподобява взаимодействието на електрически заряди взаимодействието на магнитите не е електрическо. Това се доказва от следните експериментални факти.
Магнитната сила отслабва с нагряването на магнита. Силата на взаимодействието на точковите заряди не зависи от тяхната температура.
Магнитната сила отслабва, ако магнитът се разклати. Нищо подобно не се случва с електрически заредени тела.
Положителните електрически заряди могат да бъдат отделени от отрицателните (например при наелектризиране на тела). Но е невъзможно да се разделят полюсите на магнит: ако разрежете магнит на две части, тогава полюсите също се появяват на мястото на срязване и магнитът се разделя на два магнита с противоположни полюси в краищата (ориентирани по абсолютно същия начин като полюсите на оригиналния магнит).
Така че магнити Винагибиполярни, те съществуват само във формата диполи. Изолирани магнитни полюси (наречени магнитни монополи- аналози на електрическия заряд) не съществуват в природата (във всеки случай те все още не са открити експериментално). Това е може би най-впечатляващата асиметрия между електричество и магнетизъм.
Подобно на електрически заредените тела, магнитите действат върху електрически заряди. Магнитът обаче действа само върху движещ сезареждане; ако зарядът е в покой спрямо магнита, тогава ефектът на магнитната сила върху заряда не се наблюдава. Напротив, електрифицираното тяло действа върху всеки заряд, независимо дали е в покой или в движение.
Според съвременните концепции на теорията за къси разстояния взаимодействието на магнитите се осъществява чрез магнитно полеА именно, един магнит създава магнитно поле в околното пространство, което действа върху друг магнит и предизвиква видимо привличане или отблъскване на тези магнити.
Пример за магнит е магнитна иглакомпас. С помощта на магнитна стрелка можете да прецените наличието на магнитно поле в дадена област на пространството, както и посоката на полето.
Нашата планета Земя е гигантски магнит. Недалеч от северния географски полюс на Земята е южният магнитен полюс. Следователно северният край на иглата на компаса се обръща към южната магнитен полюсЗемята, показва географски север. Оттук идва името "северен полюс" на магнита.
Линии на магнитното поле
Електрическото поле, припомняме, се изучава с помощта на малки пробни заряди, по ефекта на които може да се прецени величината и посоката на полето. Аналогът на пробния заряд в случай на магнитно поле е малка магнитна игла.
Например, можете да получите известна геометрична представа за магнитното поле, като поставите много малки стрелки на компас в различни точки в пространството. Опитът показва, че стрелките ще се подредят по определени линии – т.нар линии на магнитното поле. Нека дефинираме това понятие под формата на следните три точки.
1. Линиите на магнитното поле или магнитните силови линии са насочени линии в пространството, които имат следното свойство: малка стрелка на компас, поставена във всяка точка на такава линия, е ориентирана допирателна към тази линия.
2. Посоката на линията на магнитното поле се счита за посоката на северните краища на стрелките на компаса, разположени в точки на тази линия.
3. Колкото по-плътни са линиите, толкова по-силно е магнитното поле в даден регион на пространството..
Железните стърготини могат успешно да служат като стрелки на компас: в магнитно поле малките стърготини се магнетизират и се държат точно като магнитни стрелки.
Така че, като излеем железни стружки около постоянен магнит, ще видим приблизително следната картина на линиите на магнитното поле (фиг. 1).
Ориз. 1. Постоянно магнитно поле
Северният полюс на магнита е обозначен със синия цвят и буквата; южния полюс - в червено и буквата . Моля, обърнете внимание, че линиите на полето напускат северния полюс на магнита и навлизат в южния полюс: в края на краищата северният край на стрелката на компаса ще бъде насочен към южния полюс на магнита.
Опитът на Ерстед
Въпреки факта, че електрическите и магнитните явления са били известни на хората от древността, дълго време не е наблюдавана връзка между тях. В продължение на няколко века изследванията на електричеството и магнетизма протичат успоредно и независимо едно от друго.
Забележителният факт, че електрическите и магнитните явления всъщност са свързани помежду си, е открит за първи път през 1820 г. - в известния експеримент на Ерстед.
Диаграмата на експеримента на Ерстед е показана на фиг. 2 (изображение от сайта rt.mipt.ru). Над магнитната стрелка (а това са северният и южният полюс на стрелката) има метален проводник, свързан към източник на ток. Ако затворите веригата, стрелката се завърта перпендикулярно на проводника!
Този прост експеримент директно показва връзката между електричеството и магнетизма. Експериментите, последвали експеримента на Ерстед, твърдо установяват следния модел: генерира се магнитно поле електрически токовеи действа на течения.
Ориз. 2. Опит на Ерстед
Моделът на линиите на магнитното поле, генерирани от проводник с ток, зависи от формата на проводника.
Магнитно поле на прав проводник, по който тече ток
Линиите на магнитното поле на прав проводник, по който протича ток, са концентрични кръгове. Центровете на тези окръжности лежат върху телта, а равнините им са перпендикулярни на телта (фиг. 3).
Ориз. 3. Поле на прав проводник с ток
Има две алтернативни правила за определяне на посоката на предните линии на магнитното поле.
Правило на часовниковата стрелка. Линиите на полето вървят обратно на часовниковата стрелка, ако погледнете така, че токът тече към нас.
Винтово правило(или gimlet rule, или правило за тирбушон- това е нещо по-близко до някого ;-)). Линиите на полето отиват там, където трябва да завъртите винта (с обикновена дясна резба), така че да се движи по резбата по посока на тока.
Използвайте правилото, което ви подхожда най-добре. По-добре е да свикнете с правилото на часовниковата стрелка - по-късно ще се убедите сами, че е по-универсално и по-лесно за използване (и след това си го спомнете с благодарност през първата си година, когато изучавате аналитична геометрия).
На фиг. 3 се появи нещо ново: това е вектор, наречен индукция на магнитно поле, или магнитна индукция. Векторът на магнитната индукция е аналогичен на вектора на напрегнатост на електрическото поле: той служи мощностна характеристикамагнитно поле, определящо силата, с която магнитното поле действа върху движещите се заряди.
За силите в магнитното поле ще говорим по-късно, но засега само ще отбележим, че големината и посоката на магнитното поле се определят от вектора на магнитната индукция. Във всяка точка на пространството векторът е насочен в същата посока като северния край на иглата на компаса, поставена в дадена точка, а именно допирателна към линията на полето в посоката на тази линия. Магнитната индукция се измерва в Тесла(Tl).
Както в случая с електрическото поле, за индукцията на магнитното поле важи следното: принцип на суперпозиция. Тя се крие във факта, че индукциите на магнитни полета, създадени в дадена точка от различни токове, се сумират векторно и дават получения вектор на магнитна индукция:.
Магнитно поле на намотка с ток
Помислете за кръгла намотка, по която циркулира D.C.. На фигурата не показваме източника, който създава тока.
Картината на силовите линии на нашата орбита ще изглежда приблизително по следния начин (фиг. 4).
Ориз. 4. Поле на намотка с ток
За нас ще бъде важно да можем да определим в кое полупространство (спрямо равнината на намотката) е насочено магнитното поле. Отново имаме две алтернативни правила.
Правило на часовниковата стрелка. Линиите на полето отиват там, гледайки от мястото, където изглежда, че токът циркулира обратно на часовниковата стрелка.
Винтово правило. Линиите на полето отиват там, където винтът (с нормална дясна резба) ще се движи, ако се завърти по посока на тока.
Както можете да видите, токът и полето сменят ролите си - в сравнение с формулирането на тези правила за случая на постоянен ток.
Магнитно поле на токова намотка
НамоткаЩе работи, ако навиете жицата плътно, завой по завой, в достатъчно дълга спирала (фиг. 5 - изображение от en.wikipedia.org). Бобината може да има няколко десетки, стотици или дори хиляди навивки. Бобината също се нарича соленоид.
Ориз. 5. Бобина (соленоид)
Магнитното поле на едно завъртане, както знаем, не изглежда много просто. Полета? отделните завои на намотката се наслагват един върху друг и изглежда, че резултатът трябва да бъде много объркваща картина. Това обаче не е така: полето на дълга намотка има неочаквано проста структура (фиг. 6).
Ориз. 6. токово поле на бобината
На тази фигура токът в намотката протича обратно на часовниковата стрелка, когато се гледа отляво (това ще се случи, ако на фиг. 5 десният край на намотката е свързан към „плюса“ на източника на ток, а левият край към „ минус”). Виждаме, че магнитното поле на намотката има две характерни свойства.
1. Вътре в намотката, далеч от краищата й, е магнитното поле хомогенен: във всяка точка векторът на магнитната индукция е еднакъв по големина и посока. Линиите на полето са успоредни прави линии; те се огъват само близо до краищата на намотката, когато излязат.
2. Извън намотката полето е близко до нула. Колкото повече завъртания в намотката, толкова по-слабо полеизвън нея.
Имайте предвид, че една безкрайно дълга намотка изобщо не освобождава полето навън: извън намотката няма магнитно поле. Вътре в такава бобина полето е равномерно навсякъде.
Нищо не ти напомня? Бобината е „магнитен“ аналог на кондензатор. Спомняте си, че кондензаторът създава хомогенен електрическо поле, чиито линии се огъват само близо до краищата на плочите, а извън кондензатора полето е близо до нула; кондензатор с безкрайни плочи изобщо не изпуска полето навън и полето е равномерно навсякъде вътре в него.
И сега - основното наблюдение. Моля, сравнете картината на линиите на магнитното поле извън намотката (фиг. 6) с линиите на магнитното поле на фиг. 1 . Това е едно и също нещо, нали? И сега стигаме до въпрос, който вероятно е възникнал в ума ви от дълго време: ако магнитното поле се генерира от токове и действа върху токове, тогава каква е причината за появата на магнитно поле в близост до постоянен магнит? В крайна сметка този магнит не изглежда да е проводник с ток!
Хипотезата на Ампер. Елементарни токове
Първоначално се смяташе, че взаимодействието на магнитите се обяснява със специални магнитни заряди, концентрирани в полюсите. Но за разлика от електричеството, никой не може да изолира магнитния заряд; в края на краищата, както вече казахме, не беше възможно да се получат северният и южният полюс на магнита отделно - полюсите винаги присъстват в магнита по двойки.
Съмненията относно магнитните заряди бяха изострени от експеримента на Ерстед, когато се оказа, че магнитното поле се генерира от електрически ток. Освен това се оказа, че за всеки магнит е възможно да се избере проводник с ток с подходяща конфигурация, така че полето на този проводник да съвпада с полето на магнита.
Ампер излага смела хипотеза. Няма магнитни заряди. Действието на магнита се обяснява със затворени електрически токове вътре в него.
Какви са тези течения? Тези елементарни токовециркулират вътре в атомите и молекулите; те са свързани с движението на електрони по атомни орбити. Магнитното поле на всяко тяло се състои от магнитните полета на тези елементарни токове.
Елементарните токове могат да бъдат произволно разположени един спрямо друг. Тогава техните полета се компенсират взаимно и тялото не проявява магнитни свойства.
Но ако елементарните токове са подредени по координиран начин, тогава техните полета, добавяйки се, се подсилват взаимно. Тялото се превръща в магнит (фиг. 7; магнитното поле ще бъде насочено към нас; северният полюс на магнита също ще бъде насочен към нас).
Ориз. 7. Елементарни магнитни токове
Хипотезата на Ампер за елементарните токове изясни свойствата на магнитите. Нагряването и разклащането на магнит разрушава реда на неговите елементарни токове и магнитни свойстваотслабвам. Неразделимостта на полюсите на магнита стана очевидна: в точката, където магнитът се срязва, получаваме същите елементарни токове в краищата. Способността на тялото да се магнетизира в магнитно поле се обяснява с координираното подреждане на елементарни токове, които се „въртят“ правилно (прочетете за въртенето на кръгов ток в магнитно поле на следващия лист).
Хипотезата на Ампер се оказа вярна - това показа по-нататъшното развитие на физиката. Идеите за елементарните токове станаха неразделна част от теорията за атома, разработена още през ХХ век - почти сто години след блестящото предположение на Ампер.
