Линии магнитного поля прямолинейного проводника. Магнитное поле. Линии. Гипотеза Ампера. Элементарные токи

Если к прямолинейному проводнику с электрическим током поднести магнитную стрелку, то она будет стремиться стать перпендикулярно плоскости, проходящей через ось проводника и центр вращения стрелки. Это указывает на то, что на стрелку действуют особые силы, которые называются магнитными силами. Кроме действия на магнитную стрелку, магнитное поле оказывает влияние на движущиеся заряженные частицы и на проводники с током, находящиеся в магнитном поле. В проводниках, движущихся в магнитном поле, или в неподвижных проводниках, находящихся в переменном магнитном поле, возникает индуктивная э. д. с.

В соответствии с вышесказанным мы можем дать следующее определение магнитного поля.

Магнитным полем называется одна из двух сторон электромагнитного поля, возбуждаемая электрическими зарядами движущихся частиц и изменением электрического поля и характеризующаяся силовым воздействием на движущиеся заряженные частицы, а стало быть, и на электрические токи.

Если продеть через картон толстый проводник и пропустить по нему электрический ток, то стальные опилки, насыпанные на картон, расположатся вокруг проводника по концентрическим окружностям, представляющим собой в данном случае так называемые магнитные индукционные линии (фиг. 78). Мы можем передвигать картон вверх или вниз по проводнику, но расположение стальных опилок не изменится. Следовательно, магнитное поле возникает вокруг проводника по всей его длине.

Если на картон поставить маленькие магнитные стрелки, то, меняя направление тока в проводнике, можно увидеть, что магнитные стрелки будут поворачиваться (фиг. 79). Это показывает, что направление магнитных индукционных линий меняется с изменением направления тока в проводнике.

Магнитные индукционные линии вокруг проводника с током обладают следующими свойствами: 1) магнитные индукционные линии прямолинейного проводника имеют форму концентрических окружностей; 2) чем ближе к проводнику, тем гуще располагаются магнитные индукционные линии; 3) магнитная индукция (интенсивность поля) зависит от величины тока в проводнике; 4) направление магнитных индукционных линий зависит от направления тока в проводнике.

Направление магнитных индукционных линий вокруг проводника с током можно определить по «правилу буравчика:». Если буравчик (штопор) с правой резьбой будет двигаться поступательно по направлению тока, то направление вращения ручки будет совпадать с направлением магнитных индукционных линий вокруг проводника (фиг. 81),

Магнитная стрелка, внесенная в поле проводника с током, располагается вдоль магнитных индукционных линий. Поэтому для определения ее расположения можно также воспользоваться «правилом буравчика» (фиг. 82). Магнитное поле есть одно из важнейших проявлений электрического тока и не может быть

Получено независимо и отдельно от тока. Магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции, который имеет, следовательно, определенную величину и определенное направление в пространстве.

Количественное выражение для магнитиой индукции в результате обобщения опытных данных было установлено Био и Саваром (фиг. 83). Измеряя по отклонению магнитной стрелки магнитные поля электрических токов различной величины и формы, оба ученых пришли к выводу, что всякий элемент тока создает на некотором расстоянии от себя магнитное поле, магнитная индукция которого АВ прямо пропорциональна длине А1 этого элемента, величине протекающего тока I, синусу угла а между направлением тока и радиусом-вектором, соединяющим интересующую нас точку поля с данным элементом тока, и обратно пропорциональна квадрату длины этого радиуса-вектора r:

генри (гн)-единица индуктивности; 1 гн= 1 ом сек.

- относительная магнитная проницаемость - безразмерный коэффициент, показывающий, во сколько раз магнитная проницаемость данного материала больше магнитной проницаемости пустоты. Размерность магнитной индукции можно найти по формуле

вольт-секунда иначе называется вебером (вб):

На практике встречается более мелкая единица магнитной индукции-гаусс (гс):

Закон Био и Савара позволяет вычислить магнитную индукцию бесконечно длинного прямолинейного проводника:

где- расстояние от проводника до точки, где определяется

Магнитная индукция. Отношение магнитной индукции к произведению магнитных проницаемостей называется напряженностью магнитного поля и обозначается буквой Н:

Последнее уравнение связывает две магнитные величины: индукцию и напряженность магнитного поля. Найдем размерность Н:

Иногда пользуются другой единицей напряженности - эрстедом (эр):

1 эр = 79,6 a/м = 0,796 а/см.

Напряженность магнитного поля Н, как и магнитная индукция В, является векторной величиной.

Линия, касательная к каждой точке которой совпадает с направлением вектора магнитной индукции, называется линией магнитной индукции или магнитной индукционной линией.

Произведение магнитной индукции на величину площадки, перпендикулярной направлению поля (вектору магнитной индукции), называется потоком вектора магнитной индукции или просто магнитным потоком и обозначается буквой Ф:

Размерность магнитного потока:

т. е. магнитный поток измеряется в вольт-секундах или веберах. Более мелкой единицей магнитного потока является максвелл (мкс):

1 вб = 108 мкс. 1 мкс = 1 гс см2.

Электромагнитные явления

Электромагнитные явления отражают связь электрического тока с магнитным полем. Все их физические законы хорошо известны, и мы не будем стараться поправить их; наша цель иная: объяснить физическую природу этих явлений.

Одно нам уже ясно: ни электричество ни магнетизм не могут быть без электронов; и в этом уже проявляется электромагнетизм. Говорили мы и о том, что катушка с током порождает магнитное поле . Задержимся на последнем явлении и уточним - как оно происходит.

Будем смотреть на катушку с торца, и пусть электрический ток по ней идет против часовой стрелки. Ток представляет собой поток электронов, скользящий по поверхности проводника (только на поверхности - открытые присасывающие желоба). Поток электронов будет увлекать за собой прилегающий эфир, и он начнет также двигаться против часовой стрелки. Скорость прилегающего к проводнику эфира будет определяться скоростью электронов в проводнике, а она, в свою очередь, будет зависеть от перепада эфирного давления (от электрического напряжения на катушке) и от проходного сечения проводника. Увлекаемый током эфир будет затрагивать соседние слои, и они также будут двигаться внутри и вне катушки по кругу. Скорость закрученного эфира распределится следующим образом: наибольшее ее значение, разумеется, - в районе витков; при смещении к центру она уменьшается по линейному закону, так что в самом центре она окажется нулевой; при удалении от витков на периферию скорость также будет уменьшаться, но не по линейному, а по более сложному закону.

Закрученное током макрозавихрение эфира начнет ориентировать электроны таким образом, что все они повернутся до параллельности осей вращения с осью катушки; при этом внутри катушки они будут вращаться против часовой стрелки, а за ее переделами - по часовой; одновременно электроны будут стремиться к соосному расположению, то есть будут собираться в магнитные шнуры. Процесс ориентирования электронов займет какое-то время, и по завершению его внутри катушки возникает магнитный пучок с северным полюсом в нашу сторону, а за пределами катушки, наоборот, северный полюс окажется удаленным от нас. Таким образом, мы доказали справедливость известного в электротехнике правила винта или буравчика, устанавливающего связь между направлением тока и направлением рожденного им магнитного поля.

Магнитная сила (напряженность) в каждой точке магнитного поля определится изменением скорости эфира в этой точке, то есть производной от скорости по удалению от витков катушки : чем круче изменение скорости, тем больше напряженность. Если соотносить магнитную силу катушки с ее электрическими и геометрическими параметрами, то она имеет прямую зависимость от величины тока и обратную - от диаметра катушки. Чем больше ток и чем меньше диаметр, тем больше возможностей собрать электроны в шнуры определенного направления вращения и тем большей окажется магнитная сила катушки. О том, что напряженность магнитного поля может усиливаться или ослабляться средой, уже говорилось.

Процесс преобразования электричества постоянного тока в магнетизм - не обратим: если в катушку поместить магнит, то ток в ней не возникает. Энергия макрозавихрения, существующего вокруг магнита, настолько мала, что не в силах заставить смещаться электроны по виткам при самых малых сопротивлениях для них. Еще раз напомним, что в обратном процессе макрозавихрение эфира, выполняющее роль посредника, лишь ориентировало электроны, и не более того, то есть только управляло магнитным полем, а сила поля определялась количеством однонаправленных магнитных шнуров.

Магнитами называются тела, обладающие свойством при­тягивать железные предметы. Проявляемое магнитами свойство притяжения называется магнетизмом. Магниты бывают есте­ственными и искусственными. Добываемые железные руды, об­ладающие свойством притяжения, называются естественными магнитами, а намагниченные куски металла - искусственными магнитами, которые часто называют постоянными магнитами.

Свойства магнита притягивать железные предметы в наибольшей степени проявляются на его концах, которые называются магнитными полюсам и, или просто полюсами. Каждый магнит имеет два полюса: северный (N - норд) и южный (S- зюйд). Линия, проходящая через середину магнита, называется нейтральной л и н и е й, или нейтралью, так как по этой линии не обнаруживается магнитных свойств.

Постоянные магниты образуют магнитное поле, в котором действуют магнитные силы в определенных направлениях, называемых силовыми линиями. Силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный.

Электрический ток, проходящий по проводнику, также образует вокруг проводника магнитное поле. Установлено, что магнитные явления неразрывно связаны с электрическим то­ком.

Магнитные силовые линии располагаются вокруг проводника с током по окружности, центром которых является сам проводник, при этом ближе к проводнику они располагаются гуще, а дальше от проводника - реже. Расположение магнитных силовых линий вокруг проводника с током зависит от формы его поперечного сечения.

Для определения направления силовых линий пользуются правилом буравчика, которое формулируется так: если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то вращение рукоятки буравчика покажет направление магнитных силовых линий.

Магнитное поле прямого проводника представляет собой ряд концентрических окружностей (рис. 157, а). Для усиления маг­нитного поля в проводнике последний изготовляют в виде катушки (рис. 157, б).

если направление вращения рукоятки буравчика совпадает с направлением электрического тока в витках катушки, то поступательное движение буравчика направлено в сторону се­верного полюса.

Магнитное поле катушки с током аналогично полю постоянного магнита, поэтому катушка с током (соленоид) имеет все свойства магнита.

Здесь также направление магнитных силовых линий вокруг каждого витка катушки определяется правилом буравчика. Си­ловые линии соседних витков складываются, усиливая общее магнитное поле катушки. Как следует из рис. 158, силовые линии магнитного поля катушки выходят из одного конца и входят в другой, замыкаясь внутри катушки. Катушка, как и постоянные магниты, имеет полярность (южный и северный полюсы), кото­рая также определяется по правилу буравчика, если изложить его так: если направление вращения рукоятки буравчика совпа­дает с направлением электрического тока в витках катушки, то поступательное движение буравчика направлено в сторону се­верного полюса.

Для характеристики магнитного поля с количественной стороны введено понятие магнитной индукции.

Магнитной индукцией называется число магнитных силовых линий, приходящихся на 1 см 2 (или 1 м 2) поверхности, перпендикулярной направлению силовых линий. В системе СИ магнитная индукция измеряется в теслах (сокращенно Т) и обозначается буквой В (тесла = вебер/м2 = вольт секунда/м2

Вебер - единица измерения магнитного потока.

Магнитное поле можно усилить, если вставить в катушку железный стержень (сердечник). Наличие железного сердечника усиливает поле, так как, находясь в магнитном иоле катушки, железный сердечник намагничивается, создает свое поле, которое складывается с первоначальным и усиливается. Такое устройство называется электромагнитом.

Общее число силовых линий, проходящих через сечение сердечника, называется магнитным потоком. Величина маг­нитного потока электромагнита зависит от тока, проходящего по катушке (обмотке), числа се витков и сопротивления магнитной цепи.

Магнитной цепью, или магиитопроводом, называется путь, по которому замыкаются магнитные силовые линии. Магнитное сопротивление магнитопровода зависит от магнитной проницае­мости среды, по которой проходят силовые линии, длины этих ли­ний и поперечного сечения сердечника.

Произведение тока, проходящего по обмотке, на число ее витков носит название магнитодвижущей силы (м. д. с). Маг­нитный поток равен магнитодвижущей силе, деленной на магнитное сопротивление цепи - так формулируется закон Ома для магнитной цепи. Так как число витков и магнитное сопротивление для данного электромагнита - величины постоянные, магнитный поток электромагнита можно изменять, регулируя ток в его обмотке.

Электромагниты находят самое широкое применение в различ­ных машинах и приборах (в электромашинах, электрических звонках, телефонах, измерительных приборах и т. д.).

Рассмотрим прямолинейный проводник (рис.3.2) , который является частью замкнутой электрической цепи. По закону Био-Савара-Лапласа вектор магнитной индукции
поля, создаваемого в точкеА элементом проводника с токомI , имеет значение
, где- угол между векторамии. Для всех участковэтого проводника векторыилежат в плоскости чертежа, поэтому в точкеА все векторы
, создаваемые каждым участком, направлены перпендикулярно к плоскости чертежа (к нам). Векторопределяется по принципу суперпозиции полей:

,

его модуль равен:

.

Обозначим расстояние от точки А до проводника . Рассмотрим участок проводника
. Из точкиА проведем дугу С D радиуса ,
– мал, поэтому
и
. Из чертежа видно, что
;
, но
(CD =
) Поэтому имеем:

.

Для получаем:

где и- значения угла для крайних точек проводникаMN .

Если проводник бесконечно длинный, то
,
. Тогда

индукция в каждой точке магнитного поля бесконечно длинного прямолинейного проводника с током обратно пропорциональна кратчайшему расстоянию от этой точки до проводника .

3.4. Магнитное поле кругового тока

Рассмотрим круговой виток радиуса R , по которому течет ток I (рис. 3.3). По закону Био- Савара- Лапласа индукция
поля, создаваемого в точкеО элементом витка с током равна:

,

причём
, поэтому
, и
. С учётом сказанного получаем:

.

Все векторы
направлены перпендикулярно к плоскости чертежа к нам, поэтому индукция

напряженность
.

Пусть S – площадь, охватываемая круговым витком,
. Тогда магнитная индукция в произвольной точке оси кругового витка с током:

,

где – расстояние от точки до поверхности витка. Известно, что
- магнитный момент витка. Его направление совпадает с векторомв любой точке на оси витка, поэтому
, и
.

Выражение для по виду аналогично выражению для электрического смещения в точках поля, лежащих на оси электрического диполя достаточно далеко от него:

.

Поэтому магнитное поле кольцевого тока часто рассматривают как магнитное поле некоторого условного «магнитного диполя», положительным (северным) полюсом считают ту сторону плоскости витка, из которой магнитные силовые линии выходят, а отрицательным (южным) – ту, в которую входят.

Для контура тока, имеющего произвольную форму:

,

где - единичный вектор внешней нормали к элементуповерхностиS , ограниченной контуром. В случае плоского контура поверхность S – плоская и все векторы совпадают.

3.5. Магнитное поле соленоида

Соленоид - это цилиндрическая катушка с большим числом витков провода. Витки соленоида образуют винтовую линию. Если витки расположены вплотную, то соленоид можно рассматривать как систему последовательно соединенных круговых токов. Эти витки (токи) имеют одинаковый радиус и общую ось (рис.3.4).

Рассмотрим сечение соленоида вдоль его оси. Кружками с точкой будем обозначать токи, идущие из-за плоскости чертежа к нам, а кружочком с крестиком - токи, идущие за плоскость чертежа, от нас. L – длина соленоида, n – число витков, приходящихся на единицу длины соленоида; - R - радиус витка. Рассмотрим точку А , лежащую на оси
соленоида. Ясно, что магнитная индукцияв этой точке направлена вдоль оси
и равна алгебраической сумме индукций магнитных полей, создаваемых в этой точке всеми витками.

Проведем из точки А радиус – вектор к какому-либо витку. Этот радиус-вектор образует с осью
уголα . Ток, текущий по этому витку, создает в точке А магнитное поле с индукцией

.

Рассмотрим малый участок
соленоида, он имеет
витков. Эти витки создают в точкеА магнитное поле, индукцию которого

.

Ясно, что расстояние по оси от точки А до участка
равно
; тогда
.Очевидно,
, тогда

Магнитная индукция полей, создаваемых всеми витками, в точке А равна

Напряженность магнитного поля в точке А
.

Из рис.3. 4 находим:
;
.

Таким образом, магнитная индукция зависит от положения точки А на оси соленоида. Она

максимальна в середине соленоида:

.

Если L >> R , то соленоид можно считать бесконечно длинным, в этом случае
,
,
,
; тогда

;
.

На одном из концов длинного соленоида
,
или
;
,
,
.

Вычислим поле, создаваемое током, текущим по тонкому прямолинейному проводу бесконечной длины.

Индукция магнитного поля в произвольной точке А (рис. 6.12), создаваемого элементом проводника dl , будет равна

Рис. 6.12. Магнитное поле прямолинейного проводника

Поля от различных элементов имеют одинаковое направление (по касательной к окружности радиусом R , лежащей в плоскости, ортогональной проводнику). Значит, мы можем складывать (интегрировать) абсолютные величины

Выразим r и sin через переменную интегрирования l

Тогда (6.7) переписывается в виде

Таким образом,

Картина силовых линий магнитного поля бесконечно длинного прямолинейного проводника с током представлена на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Магнитные силовые линии поля прямолинейного проводника с током:
1 - вид сбоку; 2, 3 - сечение проводника плоскостью, перпендикулярной проводнику

Рис. 6.14. Обозначения направления тока в проводнике

Для обозначения направления тока в проводнике, перпендикулярном плоскости рисунка, будем использовать следующие обозначения (рис. 6.14):

Напомним выражение для напряженности электрического поля тонкой нити, заряженной с линейной плотностью заряда

Сходство выражений очевидно: мы имеем ту же зависимость от расстояния до нити (тока), линейная плотность заряда заменилась на силу тока. Но направления полей различны. Для нити электрическое поле направлено по радиусам. Силовые линии магнитного поля бесконечного прямолинейного проводника с током образуют систему концентрических окружностей, охватывающих проводник. Направления силовых линий образуют с направлением тока правовинтовую систему.

На рис. 6.15 представлен опыт по исследованию распределения силовых линий магнитного поля вокруг прямолинейного проводника с током. Толстый медный проводник пропущен через отверстия в прозрачной пластинке, на которую насыпаны железные опилки. После включения постоянного тока силой 25 А и постукивания по пластинке опилки образуют цепочки, повторяющие форму силовых линий магнитного поля.

Вокруг прямого провода, перпендикулярного пластинке, наблюдаются кольцевые силовые линии, расположенные наиболее густо вблизи провода. При удалении от него поле убывает.

Рис. 6.15. Визуализация силовых линий магнитного поля вокруг прямолинейного проводника

На рис. 6.16 представлены опыты по исследованию распределения силовых линий магнитного поля вокруг проводов, пересекающих картонную пластинку. Железные опилки, насыпанные на пластинку, выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля.

Рис. 6.16. Распределение силовых линий магнитного поля
вблизи пересечения с пластинкой одного, двух и нескольких проводов