Пункт 5 Магнитное поле прямого тока — создается током, текущего по тонкому прямому бесконечному проводу

Линии магнитной индукции представляют собой концентрические окружности с центром на проводнике

Магнитное поле прямолинейного тока наблюдают, продев сквозь расположенный горизонтально лист картона вертикальный прямолинейный провод, представляющий собой часть электрической цепи. Опилки-стрелочки при замыкании тока в цепи и после легкого постукивания по листу образуют цепочки в виде окружностей с общим центром на оси тока. Поэтому магнитное поле электрического тока графически изображают в виде линий магнитной индукции, аналогичных линиям напряженности электростатического поля. Линии магнитной индукции представляют собой окружности с центрами на оси тока, расположенные в плоскостях, перпендикулярных направлению тока. Их направление определяют по правилу правого винта: при поступательном движении винта в направлении тока его вращение указывает направление магнитного поля этого тока.
Различие между линиями магнитной индукции и линиями напряженности электростатического поля: первые замкнуты и окружают электрический ток; вторые – разомкнуты, начинаются на поверхности положительно заряженных тел и оканчиваются на поверхности отрицательно заряженных.

Применим закон Био–Савара–Лапласа для расчета магнитных полей простейших токов.

 

 

Вывод формулы для магнитного поля прямого тока:

За постоянную интегрирования возьмем угол α (угол между векторами dl и r) и выразим через него все остальные величины

Магнитная индукция, которая создавается одним элементом проводника, равна

Поскольку угол α для всех элементов прямого тока изменяется в пределах от 0 до π, то

Посчитаем интеграл, и получим формулу Магнитной индукции поля прямого тока

В Формуле мы использовали:

— Магнитная индукция прямого тока

— Магнитная проницаемость среды

— Магнитная постоянная

— Сила тока

— Расстояние от провода до точки, где мы вычисляем магнитную индукцию

— Угол между вектором dl и r

 

Магнитное поле витка с током, или контура тока, показано рисунке (кружок с точкой означает, что в этом сечении ток направлен перпендикулярно плоскости рисунка к нам, а кружок с крестом - что ток направлен от нас). Направление линий магнитной индукции вдоль оси витка укажет магнитная стрелка, помещенная в его центре. Две противоположные стороны обтекаемой током поверхности можно сопоставить с двумя полюсами магнитной стрелки: сторону, из которой линии магнитной индукции выходят – с северным полюсом магнитной стрелки, а в которую они входят – с южным.
Направление магнитного поля витка с током можно определить также по правилу правого винта: если поместить острие винта в центре витка и вращать винт в направлении тока, то его поступательное движение укажет направление линий магнитной индукции.
Таким образом, существует взаимная связь направлений тока в замкнутом проводнике и его магнитного поля, их «сцепленность».

Направление вектора магнитной индукции связано с направлением ток в контуре правилом правого винта -

 

 

Согласно закону Био-Савара-Лапласа, индукция магнитного поля, создаваемого элементом тока dl на расстоянии r от него есть

 

где α – угол между элементом тока и радиус-вектором , проведенным из этого элемента в точку наблюдения; r - расстояние от элемента тока до точки наблюдения.

В нашем случае α = π/2, sin α = 1; , где а – расстояние, отсчитываемое от центра витка до рассматриваемой точки на оси витка. Векторы образуют в этой точке конус с углом раствора при вершине 2 = π - 2β, где β – угол между отрезками а и r.

Магнитное поле соленоида.Внутри длинного соленоида с током магнитное поле является однородным и линии магнитной индукции параллельны между собой. Направление В и направление тока в витках соленоида связаны правилом правого винта

ток силой I. Если соленоид находится в вакууме (или воздухе), то магнитная индукция поля в нем численно равна

B ₀ = μ₀ IN / l = μ₀ In,

где n = N / l; In – число ампер-витков, приходящихся на единицу длины соленоида; μ₀ – магнитная постоянная, характеризующая магнитное поле в вакууме.

Поле внутри длинного соленоида однородно и направлено от южного полюса (S) к северному (N). Модуль магнитной индукции поля в соленоиде пропорционален числу ампервитков, приходящихся на единицу его длины.

Магнитная постоянная

μ₀ = 4π · 10^-7 кг · м/(с² · А²)

Пункт 6 Примеры проявления магнитного взаимодействия:

	притяжение или отталкивание двух параллельных проводников с током;
	магнетизм некоторых веществ, например, магнитный железняк, из которых изготавливаются постоянные магниты; поворот легкой стрелки, сделанной из магнитного материала, вблизи проводника с током (см. рис. 1);
	вращение рамки с током в магнитном поле.

Итак, движущиеся заряды создают вокруг себя магнитное поле, которое проявляется в действии силы на попадающие в это поле движущиеся заряды

Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов согласно представлениям теории близкодействия объясняется следующим образом. Всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитное поле непрерывно в пространстве и действует на другие движущиеся электрические заряды.

Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера.
Экспериментальное изучение магнитного взаимодействия показывает, что модуль силы Ампера пропорционален длине l проводника с током и зависит от ориентации проводника в магнитном поле.

Для характеристики способности магнитного поля оказывать силовое действие на проводник с током вводится векторная величина — магнитная индукция .
Силовое действие магнитного поля может обнаруживаться по действию силы Ампера на прямолинейный проводник с током и по вращающему действию на замкнутый контур.
При исследовании магнитного поля с помощью прямолинейного проводника с током магнитная индукция определяется следующим образом: модуль магнитной индукции равен отношению максимального значения модуля силы Ампера , действующей на проводник с током, к силе тока I в проводнике и его длине l:

 

 

 

Пункт 7 Сила Лоренца – сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся со скоростью положительный заряд (здесь – скорость упорядоченного движения носителей положительного заряда). Модуль лоренцевой силы:

 

где α – угол между и .

На заряд, движущийся вдоль линии , не действует сила ().

 

Направление действия силы для отрицательного заряда – противоположно, следовательно, к электронам применимо правило правой руки.

Так как сила Лоренца направлена перпендикулярно движущемуся заряду, т.е. перпендикулярно , работа этой силы всегда равна нулю. Следовательно, действуя на заряженную частицу, сила Лоренца не может изменить кинетическую энергию частицы.

Часто лоренцевой силой называют сумму электрических и магнитных сил:

,

(2.5.4)

здесь электрическая сила ускоряет частицу, изменяет ее энергию.

Повседневно действие магнитной силы на движущийся заряд мы наблюдаем на телевизионном экране

 

 

Движение пучка электронов по плоскости экрана стимулируется магнитным полем отклоняющей катушки. Если поднести постоянный магнит к плоскости экрана, то легко заметить его воздействие на электронный пучок по возникающим в изображении искажениям.

Пункт 8 Принцип действия измерительных приборов со шкалой основан на применении электрических устройств, преобразующих перемещения измерительного щупа в изменения силы тока или напряжения, регистрируемые электроизмерительным прибором, по шкале которого ведется отсчет показаний измерения. [ 1 ]

По учебнику изучите устройство и принцип действия измерительных приборов магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем, выясните назначение отдельных узлов и деталей. Пользуясь формулами для вращающих моментов каждой из этих систем, определите область их применения, установите, у каких из этих приборов шкала равномерная, а у каких-неравномерная, на какой род тока они реагируют. [ 3 ]

На взаимодействии проводников с током основан принцип действия электродинамических и ферродинами-ческих измерительных приборов. [ 4 ]

В работе на разборных образцах изучается устройство и принципы действия измерительных приборов магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем. [ 5 ]

Для прямых измерений, где физический принцип, как правило, однозначно определяется принципом действия измерительного прибора, совокупность методических приемов (описание метода) носит метрологический характер. Такие общие метрологические приемы, называемые методами прямых измерений, позволяют в ряде случаев исключать (или компенсировать) наиболее существенные систематические погрешности измерений. [ 6 ]

В основе применения данного метода лежит использование эффекта того или иного физического явления, на котором основан принцип действия измерительного прибора. Так, например, измерение постоянного тока методом непосредственной оценки может быть выполнено на основе использования эффекта механического взаимодействия магнитного поля и измеряемого тока. [ 7 ]

Действующее значение измеряют приборами электромагнитной, электродинамической и тепловой систем. Принцип действия измерительных приборов различных систем изучают в курсе электротехнических измерений. [ 8 ]

Необходимо провести измерения на образцах с различными толщинами слоя. Следует описать принцип действия примененных измерительных приборов, причем выбор соответствующих измерительных приборов может происходить в соответствии с каждой определенной проблемой измерения. [ 13 ]

Магнитоэлектрический измерительный механизм (рис. 321,а) выполнен в виде постоянного магнита 1, снабженного полюсными наконечниками 2, между которыми укреплен стальной сердечник 3. В кольцеобразном воздушном зазоре, образованном полюсными наконечниками и сердечником, помещена подвижная катушка 5, намотанная на алюминиевый каркас 6 (рис. 321,б). Катушка выполнена из очень тонкого провода и укреплена на оси, связанной со стрелкой спиральными пружинами 4 или растяжками. Через эти же пружины или растяжки осуществляется подвод тока к катушке.

При прохождении тока I по катушке на каждый из ее проводников будет действовать электромагнитная сила. Суммарное действие всех электромагнитных сил создает вращающий момент М, стремящийся повернуть катушку и связанную с ней стрелку прибора на некоторый угол?. Так как индукция В магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом, неизменна и не зависит от тока I, то

M = c₁I (93)

где c₁ — постоянная величина, зависящая от конструктивных параметров данного прибора (числа витков катушки, ее размеров, индукции В в воздушном зазоре).

Простейший генератор можно представить в виде витка, вращающегося в магнитном поле (рис. 1.4, а, б). Концы витка выведены на две пластины коллектора. К коллекторным пластинам прижимаются неподвижные щетки, к которым подключается внешняя цепь.

 

Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Пусть виток приводится во вращение от внешнего приводного двигателя ПД. Проводники активной части витка пересекают магнитное поле и в них по закону электромагнитной индукции наводятся ЭДС e₁ и e₂, направление которых определяется по правилу правой руки. При вращении витка по направлению движения часовой стрелки в верхнем проводнике, находящемся под северным полюсом, ЭДС направлена от нас, а в нижнем, находящемся под южным полюсом, – к нам. По ходу витка ЭДС складываются, результирующая ЭДС е = е₁– е₂.

Принцип действия двигателя. То же устройство работает в режиме электрического двигателя (рис. 1.5), если к щеткам подвести постоянное напряжение. Под дей­ствием напряжения U через щетки, пластины коллектора и виток потечет ток i. По закону электромагнитной силы (закон Ампера) взаимодействие тока и магнитного поля В создает силу f, которая направлена перпендикулярно i. Направление силы f определяется правилом левой руки (рис. 1.5): на верхний проводник сила действует вправо, на нижний – влево. Эта пара сил создает вращающий момент Мвр, поворачивающий виток по часовой стрелке. При переходе верхнего проводника в зону южного полюса, а нижнего – в зону северного полюса концы проводников и соединенные с ними коллекторные пластины вступают в контакт со щетками другой полярности.

Пункт 9 В любой точке пространства, окружающего Землю, и на её поверхности об­наруживается действие магнитных сил. Иными словами, в пространстве, окру­жающем Землю, создаётся магнитное поле, силовые линии которого изобра­жены на рис.1.

 

Магнитные и географические полюса Земли не совпадают друг с другом. Се­верный маг­нитный полюс N лежит в южном полушарии, вблизи берегов Ан­тарктиды, а южный магнитный полюс S находится в Северном полушарии, вблизи северного берега острова Виктория (Канада). Оба полюса непрерывно перемещаются (дрейфуют) на земной поверхности со скоростью около 5 за год из-за переменности порождающих магнитное поле процессов. Кроме того, ось магнитного поля не проходит через центр Земли, а отстаёт от него на 430 км. Магнитное поле Земли не симметрично. Благодаря тому, что ось магнитного поля проходит всего под углом в 11,5 градусов к оси вращения планеты, мы можем пользоваться компасом. Основная часть магнитного поля Земли, по современным воззрениям, имеет внутриземное происхождение. Магнитное поле Земли создаётся её ядром. Внешнее ядро Земли жидкое и металлическое. Металл – проводящее ток вещество, и если бы существовали в жидком ядре постоянные течения, то соответствующий электрический ток создавал бы магнитное поле. Благодаря вращению Земли, такие течения в ядре существуют, т.к. Земля в некотором приближении является магнитным диполем, т.е. своеобразным магнитом с двумя полюсами: южным и северным.

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку NS на нити l (рис.2) так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли.

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку NS на нити l (рис.2) так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли.

 

В северном полушарии - южный конец будет наклонён к Земле и стрелка со­ставит с го­ризонтом угол наклонения Q (на магнитном экваторе наклонение Q равно нулю). Вертикальная плоскость, в которой расположится стрелка, назы­вается плоскостью магнитного меридиана. Все плоскости магнитных меридиа­нов пересекаются по прямой NS, а следы магнитных меридианов на земной по­верхности сходятся в магнитных полюсах N и S. Так как магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами, то стрелка будет отклонена от гео­графического меридиана. Угол, который образует вертикальная плоскость, проходящая через стрелку (т.е. магнитный меридиан), с географическим мери­дианом, называется магнитным склонениемa (рис. 2). Вектор полей на­пряжёности магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную и вертикальную (рис. 3). Значение углов наклоне­ния и склонения, а также горизонтальной составляющей дают возмож­ность определить величину и направление полной напряжённости магнитного поля Земли в данной точке. Если магнитная стрелка может свободно вращаться лишь вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана. Горизонтальная составляющая , магнитное склонение a и на­клонение Q называются элементами земного магнетизма. Все элементы зем­ного магнетизма изменяются с течением времени.

 

Единицей напряженности геомагнитного поля () в системе Си является ампер на метр (А/м). В магниторазведке применялась и другая единица Эрстед (Э) или гамма , равная 10^-5 Э . Однако практически измеряемым параметром магнитного поля является магнитная индукция (или плотность магнитного потока) , где - магнитная проницаемость среды. Единицей магнитной индукции в системе Си является тесла (Тл). В магниторазведке используется более мелкая единица нанотесла (нТл), равная 10^-9 Тл. Так как для большинства сред, в которых изучается магнитное поле (воздух, вода, громадное большинство немагнитных осадочных пород), , то количественно магнитное поле Земли можно измерять либо в единицах магнитной индукции (в нТл), либо в соответствующей ей напряженности поля - гамма