Магнитное поле

Магнитные исследования Кулона помогли вывести законы взаимодействия магнитных полюсов; исследования Ампера — закон взаимодействия проводников с токами, а также проводника с током и магнита. Величина силы F, действующей на помещенный между полюсами магнитов проводник с током, пропорциональна силе тока (I), длине проводника (l) и синусу угла между направлением тока и тем направлением, по которому устанавливается магнитная стрелка там, где расположен проводник:

F=B•I•l•sinα.

То, что в формуле участвует синус угла означает, что величина действующей силы зависит от ориентации проводника с током. Величина F будет наибольшей, когда угол прямой. При этом sinα=1.

Некоторые из ученых объяснили взаимодействия магнитных полюсов, магнитного полюса и тока, проводников с током действием на расстоянии, без участия окружающей среды (теория дальнодействия). Другие придерживались мнения Фарадея: полюса взаимодействуют благодаря особому состоянию среды, которое вызывается присутствие магнитного полюса или проводника с током (теория близкодействия). Дальнейшие исследования подтвердили правильность второй точки зрения.

Магнитный полюс или проводник с током создают вокруг себя магнитное поле. В каждой точке этого поля его силовое действие на проводник с током характеризуют определенной величиной — наибольшей силой, с которой действует поле на проводник длиной в 1 м при силе тока в 1 α. Силовая характеристика магнитного поля называется индукцией. Согласно закону Ампера индукция В определяется отношением силы F на произведение силы тока I и длины проводника l.

Индукция — это вектор, направление которого в каждой точке магнитного поля совпадает с направлением магнитной стрелки:

Магнитное поле удобно изображать графически при помощи силовых линий.

Касательная к силовой линии указывает направление вектора индукции магнитного поля (рис. 19). Если в данном месте магнитное поле по какой-либо причине изменится, это означает, что изменяются величина и направление вектора индукции.

В Международной системе единиц измерения для индукции поля установлена единица тесла. Эта единица названа в честь югославского ученого Николы Тесла. Она определяется величиной силы, действующей на электрический ток в 1 α при длине проводника в 1 м.

В этом томе есть специальная статья о системах измерения физических величин. И тем не менее здесь уместно рассказать о некоторых единицах Международной системы, имеющих отношение к электромагнитным явлениям.

В этой системе формулы, чаще всего употребляемые, записаны наиболее просто. Но это только внешняя сторона системы измерительных единиц. Существенное же в ней то, что в запись основных законов введены постоянные µ₀ и ε₀. Физическое содержание этих постоянных раскрыто в уравнениях Максвелла.

В Международной системе (СИ) 6 основных единиц и 2 дополнительных (см. ст. «Одна мера всему миру»).

Для описания механических явлений достаточно первых трех единиц этой системы измерений: метра, килограмма и секунды. Описание явлений, электрических и магнитных, требует четвертой единицы — силы тока. Эти четыре единицы позволяют выразить единицы всех физических величин, характеризующих электричество и магнетизм.

Основным законом магнитных явлений в системе СИ считается закон Ампера, который определяет силу взаимодействия прямых параллельных токов. Ампер рассматривал взаимодействие в воздухе, но величина силы не изменится, если влиянием воздуха пренебречь и представить себе явление происходящим в вакууме:

где коэффициент k зависит от единиц измерения силы токов I₁ и I при расстоянии между ними r, длине проводников l и действующей на них силы F. Сила тока — основная единица. Она установлена на основании закона Ампера. Единица ее измерения — α (ампер).

Ампер — это сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает между этими проводниками на каждый метр их длины силу взаимодействия, равную 2•10^-7 единиц силы, принятых в СИ (см. ст. «Всему миру единую меру»).

Если измерять все эти величины в единицах Международной системы, т. е. токи в амперах, расстояние и длину в метрах и силу в ньютонах, то коэффициент k будет равен 2•10^-7.

Чтобы упростить остальные формулы электромагнитных измерений, в числитель и знаменатель этой формулы вводится коэффициент 4π (формула, так сказать, рационализируется):

Коэффициент 4π•10^-7 обозначают как µ₀. Закон Ампера при этом запишется так:

где

Это так называемая магнитная постоянная вакуума. Если токи поместить в магнетик, т. е. в среду, которая влияет на силу взаимодействия, сила эта изменится; ее изменение учитывается относительной магнитной проницаемостью среды. Эта величина (µ) показывает, во сколько раз по сравнению с вакуумом увеличится или уменьшится сила:

Рассматривая взаимодействие прямых параллельных проводников с током, из которых один создает магнитное поле, а другой испытывает на себе силовое действие поля, находим, что индукция магнитного поля, создаваемая прямым током I₁, равна:

Учитывая это, легко объяснить, почему силовые линии магнитного поля, которое вызвано прямым током, расположены по концентрическим окружностям вокруг проводника с током, как вокруг оси. Чтобы упростить вычисление индукции 5, которая создается токами различной формы, вводят новую характеристику магнитного поля — напряженность Н:

Напряженность магнитного поля Н специального названия не имеет, в Международной системе измеряется единицей а/м.

В явлении электромагнитной индукции, открытом Фарадеем, особое значение имеет понятие потока индукции. Поток определяется как произведение площади S, расположенной перпендикулярно к направлению поля, на величину вектора индукции В, т. е.:

Ф=BS.

В Международной системе поток индукции измеряется единицей вебер.

По правилу Ленца легко можно найти направление индуктированного тока. Ток имеет такое направление, при котором его магнитное поле направлено противоположно изменению создавшего его магнитного потока.

Опираясь на закон сохранения энергии, немецкий ученый Герман Гельмгольц выразил закон Фарадея математически:

Этот закон определяет величину ЭДС (электродвижущей силы), которая возбуждает электрический ток, наводимый изменяющимся потоком индукции ∆Ф за малый промежуток времени ∆t. Знак «минус» указывает направление тока, определяемое правилом Ленца. Электродвижущая сила измеряется в системе СИ в вольтах.

ПОИСК

Block title

РАЗНОЕ

Детская Энциклопедия

Магнитное поле

Магнитное поле

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО