Postojanje magnetnog polja oko vodiča koji vodi električnu struju može se otkriti na različite načine. Jedna takva metoda je korištenje finih željeznih strugotina.

U magnetskom polju, strugotine - mali komadići željeza - postaju magnetizirani i postaju magnetske strijele. Osa svake strelice u magnetskom polju postavljena je duž pravca delovanja sila magnetskog polja.

Slika 94 prikazuje sliku magnetnog polja pravog vodiča kroz koji teče struja. Da bi se dobila takva slika, ravan provodnik se provlači kroz list kartona. Na karton se sipa tanak sloj gvozdenih strugotina, uključuje struju i lagano protrese opiljci. Pod uticajem magnetnog polja struje, gvozdene strugotine se nalaze oko provodnika ne nasumično, već u koncentričnim krugovima.

Rice. 94. Slika magnetnog polja provodnika sa strujom

Linije duž kojih su osi malih magnetskih iglica smještene u magnetskom polju nazivaju se linije magnetskog polja.

Smjer označen sjevernim polom magnetne igle u svakoj tački polja uzima se kao smjer linije magnetnog polja.

Lanci koje gvozdene strugotine formiraju u magnetnom polju pokazuju oblik magnetnih linija magnetnog polja.

Linije magnetnog polja magnetske struje su zatvorene krive koje okružuju provodnik.

Koristeći magnetne linije, zgodno je grafički prikazati magnetna polja. Pošto magnetno polje postoji u svim tačkama u prostoru koji okružuju provodnik sa strujom, magnetna linija se može povući kroz bilo koju tačku.

Rice. 95. Položaj magnetnih igala oko provodnika sa strujom

Slika 95, a prikazuje položaj magnetnih igala oko provodnika sa strujom. (Provodnik se nalazi okomito na ravninu crteža, struja u njemu je usmjerena od nas, što je konvencionalno označeno krugom s križem.) Osi ovih strelica postavljene su duž magnetskih linija jednosmjerne struje magnetsko polje. Kada se promijeni smjer struje u vodiču, sve magnetske igle se okreću za 180° (Sl. 95, b; u ovom slučaju struja u provodniku je usmjerena prema nama, što je konvencionalno označeno krugom sa tačkom). Iz ovog iskustva se može zaključiti da smjer magnetnih linija magnetskog polja struje povezan je sa smjerom struje u provodniku.

Pitanja

1. Zašto se željezne strugotine mogu koristiti za proučavanje magnetnog polja?
2. Kako se gvozdena strugotina nalazi u magnetnom polju jednosmerne struje?
3. Kako se zove linija magnetnog polja?
4. Zašto je uveden koncept linije magnetnog polja?
5. Kako možemo eksperimentalno pokazati da je smjer magnetskih linija povezan sa smjerom struje?

Vježba 40

Magnetno polje - moć polje , djelujući na pokretne električne naboje i na tijela sa magnetna moment, bez obzira na stanje njihovog kretanja;magnetna komponenta elektromagnetne polja .

Linije magnetskog polja su imaginarne linije, tangente na koje se u svakoj tački polja poklapaju u smjeru s vektorom magnetske indukcije.

Za magnetno polje važi princip superpozicije: u svakoj tački u prostoru vektor magnetne indukcije B∑ → B∑→stvorena u ovoj tački od strane svih izvora magnetnih polja jednaka je vektorskom zbroju vektora magnetske indukcije Bk→ Bk→u ovom trenutku stvaraju svi izvori magnetnih polja:

28. Biot-Savart-Laplaceov zakon. Zakon ukupne struje.

Formulacija Biot-Savart-Laplaceovog zakona je sljedeća: Kada jednosmjerna struja prođe kroz zatvorenu petlju smještenu u vakuumu, za tačku koja se nalazi na udaljenosti r0 od petlje, magnetna indukcija će imati oblik.

gdje je I struja u kolu

gama kontura duž koje se odvija integracija

r0 proizvoljna tačka

Potpuno važeći zakon Ovo je zakon koji povezuje cirkulaciju vektora jačine magnetnog polja i struje.

Cirkulacija vektora jačine magnetskog polja duž strujnog kola jednaka je algebarskom zbiru struja koje pokriva ovo kolo.

29. Magnetno polje provodnika sa strujom. Magnetski moment kružne struje.

30. Utjecaj magnetnog polja na provodnik sa strujom. Amperov zakon. Interakcija struja .

F = B I l sinα ,

Gdje α - ugao između vektora magnetske indukcije i struje,B - indukcija magnetnog polja,I - jačina struje u provodniku,l - dužina provodnika.

Interakcija struja. Ako su dvije žice spojene na jednosmjerni krug, tada: Paralelni, blisko raspoređeni provodnici povezani u seriju odbijaju se. Paralelno spojeni provodnici se međusobno privlače.

31. Utjecaj električnog i magnetskog polja na naboj koji se kreće. Lorencova sila.

Lorencova sila - sila, s kojim elektromagnetno polje prema klasičnom (nekvantnom) elektrodinamika deluje na tačka naplaćeno čestica. Ponekad se Lorentzovom silom naziva sila koja djeluje na objekt koji se kreće brzinom naplatiti samo spolja magnetsko polje, često punom snagom - od elektromagnetnog polja uopšte , drugim riječima, spolja električni I magnetna polja.

32. Utjecaj magnetnog polja na materiju. Dia-, para- i feromagneti. Magnetna histereza.

B= B 0 + B 1

Gdje B⃗ B→ - indukcija magnetnog polja u materiji; B⃗ 0 B→0 - indukcija magnetnog polja u vakuumu, B⃗ 1 B→1 - magnetna indukcija polja koje nastaje usled magnetizacije supstance.

Tvari kod kojih je magnetna permeabilnost nešto manja od jedinice (μ< 1), называются dijamagnetnih materijala, nešto veće od jedinice (μ > 1) - paramagnetski.

feromagnet - supstancu ili materijal u kojem se uočava neka pojava feromagnetizam, odnosno pojava spontane magnetizacije na temperaturi ispod Curie temperature.

Magnetic histereza - fenomen zavisnosti vektor magnetizacija I vektor magnetna snaga polja V supstance Ne samo od u prilogu vanjski polja, Ali I od pozadini ovog uzorka

Teme kodifikatora Jedinstvenog državnog ispita: interakcija magneta, magnetsko polje provodnika sa strujom.

Magnetska svojstva materije poznata su ljudima od davnina. Magneti su dobili ime po drevnom gradu Magneziji: u njegovoj blizini nalazio se uobičajeni mineral (kasnije nazvan magnetna željezna ruda ili magnetit), čiji su komadići privlačili željezne predmete.

Interakcija magneta

Na dvije strane svakog magneta nalaze se sjeverni pol I Južni pol. Dva magneta međusobno privlače suprotni polovi i odbijaju ih slični polovi. Magneti mogu djelovati jedni na druge čak i kroz vakuum! Međutim, sve ovo liči na interakciju električnih naboja interakcija magneta nije električna. O tome svjedoče sljedeće eksperimentalne činjenice.

Magnetna sila slabi kako se magnet zagrijava. Jačina interakcije tačkastih naelektrisanja ne zavisi od njihove temperature.

Magnetna sila slabi ako se magnet protrese. Ništa slično se ne dešava sa električno nabijenim telima.

Pozitivni električni naboji se mogu odvojiti od negativnih (na primjer, kada se naelektriziraju tijela). Ali nemoguće je razdvojiti polove magneta: ako magnet presiječete na dva dijela, tada se na mjestu reza pojavljuju i polovi, a magnet se dijeli na dva magneta s suprotnim polovima na krajevima (orijentirani na potpuno isti način kao polovi originalnog magneta).

Dakle, magneti Uvijek bipolarni, postoje samo u obliku dipoli. Izolovani magnetni polovi (tzv magnetnih monopola- analozi električnog naboja) ne postoje u prirodi (u svakom slučaju, još nisu eksperimentalno otkriveni). Ovo je možda najimpresivnija asimetrija između elektriciteta i magnetizma.

Poput električno nabijenih tijela, magneti djeluju na električne naboje. Međutim, magnet djeluje samo na njega kreće se punjenje; ako naelektrisanje miruje u odnosu na magnet, onda se efekat magnetne sile na naelektrisanje ne primećuje. Naprotiv, naelektrisano tijelo djeluje na bilo koji naboj, bez obzira da li miruje ili je u pokretu.

Prema modernim konceptima teorije kratkog dometa, interakcija magneta se odvija kroz magnetsko polje Naime, magnet stvara magnetsko polje u okolnom prostoru, koje djeluje na drugi magnet i uzrokuje vidljivo privlačenje ili odbijanje ovih magneta.

Primjer magneta je magnetna igla kompas. Pomoću magnetne igle možete suditi o prisutnosti magnetnog polja u datom području prostora, kao io smjeru polja.

Naša planeta Zemlja je džinovski magnet. Nedaleko od sjevernog geografskog pola Zemlje nalazi se južni magnetni pol. Stoga, sjeverni kraj igle kompasa, okrenut prema južnom magnetskom polu Zemlje, pokazuje na geografski sjever. Odatle potiče naziv "sjeverni pol" magneta.

Linije magnetnog polja

Električno polje se, podsjetimo, proučava pomoću malih probnih naboja, po efektu na koji se može suditi o veličini i smjeru polja. Analog probnog naboja u slučaju magnetnog polja je mala magnetna igla.

Na primjer, možete dobiti neki geometrijski uvid u magnetsko polje postavljanjem vrlo malih iglica kompasa na različite točke u prostoru. Iskustvo pokazuje da će se strelice poredati duž određenih linija – tzv linije magnetnog polja. Hajde da definišemo ovaj koncept u obliku sledeće tri tačke.

1. Linije magnetnog polja, ili magnetne linije sile, su usmjerene linije u prostoru koje imaju sljedeće svojstvo: mala igla kompasa postavljena u svakoj tački na takvoj liniji orijentirana je tangentno na ovu liniju.

2. Smjer linije magnetnog polja smatra se smjerom sjevernih krajeva igala kompasa koji se nalaze u tačkama na ovoj liniji.

3. Što su linije gušće, to je jače magnetno polje u datom području prostora..

Gvozdene strugotine mogu uspešno služiti kao igle kompasa: u magnetnom polju, male strugotine postaju magnetizovane i ponašaju se kao magnetne igle.

Dakle, izlivanjem gvozdenih strugotina oko stalnog magneta, videćemo otprilike sledeću sliku linija magnetnog polja (slika 1).

Rice. 1. Trajno magnetno polje

Sjeverni pol magneta označen je plavom bojom i slovom; južni pol - crveno i slovo . Imajte na umu da linije polja napuštaju sjeverni pol magneta i ulaze u južni pol: na kraju krajeva, sjeverni kraj igle kompasa će biti usmjeren prema južnom polu magneta.

Oerstedovo iskustvo

Unatoč činjenici da su električni i magnetski fenomeni poznati ljudima od antike, dugo vremena nije uočena nikakva veza između njih. Nekoliko vekova, istraživanja elektriciteta i magnetizma odvijala su se paralelno i nezavisno jedno od drugog.

Izvanredna činjenica da su električni i magnetski fenomeni zapravo povezani jedni s drugima prvi put je otkrivena 1820. godine - u čuvenom Oerstedovom eksperimentu.

Dijagram Oerstedovog eksperimenta prikazan je na sl. 2 (slika sa sajta rt.mipt.ru). Iznad magnetne igle (a to su sjeverni i južni pol igle) nalazi se metalni provodnik spojen na izvor struje. Ako zatvorite strujni krug, strelica se okreće okomito na provodnik!
Ovaj jednostavan eksperiment direktno je ukazao na vezu između elektriciteta i magnetizma. Eksperimenti koji su uslijedili nakon Oerstedovog eksperimenta čvrsto su utvrdili sljedeći obrazac: magnetsko polje nastaje električnim strujama i djeluje na struje.

Rice. 2. Oerstedov eksperiment

Obrazac linija magnetnog polja koje stvara provodnik sa strujom zavisi od oblika vodiča.

Magnetno polje ravne žice koja nosi struju

Linije magnetnog polja ravne žice koja vodi struju su koncentrični krugovi. Centri ovih kružnica leže na žici, a njihove ravni su okomite na žicu (slika 3).

Rice. 3. Polje ravne žice sa strujom

Postoje dva alternativna pravila za određivanje smjera prednjih linija magnetskog polja.

Pravilo u smjeru kazaljke na satu. Linije polja idu suprotno od kazaljke na satu ako gledate tako da struja teče prema nama.

Screw rule(ili pravilo gimleta, ili pravilo vadičepa- ovo je nekome bliže ;-)). Linije polja idu tamo gdje treba da zavrtite vijak (sa običnim desnim navojem) tako da se kreće duž navoja u smjeru struje.

Koristite pravilo koje vam najviše odgovara. Bolje je da se naviknete na pravilo u smjeru kazaljke na satu - kasnije ćete se uvjeriti da je univerzalniji i lakši za korištenje (i onda ga se sa zahvalnošću sjetiti na prvoj godini, kada budete studirali analitičku geometriju).

Na sl. 3 pojavilo se nešto novo: ovo je vektor tzv indukcija magnetnog polja, ili magnetna indukcija. Vektor magnetske indukcije je analogan vektoru jakosti električnog polja: on služi karakteristika snage magnetsko polje, određujući silu kojom magnetno polje djeluje na pokretne naboje.

Kasnije ćemo govoriti o silama u magnetskom polju, ali za sada ćemo samo napomenuti da je veličina i smjer magnetskog polja određen vektorom magnetske indukcije. U svakoj tački u prostoru, vektor je usmjeren u istom smjeru kao i sjeverni kraj igle kompasa postavljen u datu tačku, odnosno tangenta na liniju polja u smjeru ove linije. Magnetna indukcija se mjeri u Tesla(Tl).

Kao iu slučaju električnog polja, za indukciju magnetskog polja vrijedi sljedeće: princip superpozicije. Leži u činjenici da indukcije magnetnih polja koje u datoj točki stvaraju različite struje vektorski se zbrajaju i daju rezultujući vektor magnetske indukcije:.

Magnetno polje zavojnice sa strujom

Zamislite kružni kalem kroz koji kruži jednosmjerna struja. Na slici ne prikazujemo izvor koji stvara struju.

Slika linija polja naše orbite će izgledati otprilike ovako (slika 4).

Rice. 4. Polje zavojnice sa strujom

Bit će nam važno da možemo odrediti u koji je poluprostor (u odnosu na ravan zavojnice) usmjereno magnetsko polje. Opet imamo dva alternativna pravila.

Pravilo u smjeru kazaljke na satu. Linije polja idu tamo, gledajući odakle se čini da struja kruži u smjeru suprotnom od kazaljke na satu.

Screw rule. Linije polja idu tamo gdje će se vijak (sa normalnim desnim navojem) pomicati ako se okrene u smjeru struje.

Kao što vidite, struja i polje mijenjaju uloge - u poređenju sa formulacijom ovih pravila za slučaj jednosmjerne struje.

Magnetno polje strujnog namotaja

Coil Radit će ako čvrsto namotate žicu, okrenete da se okrenete, u dovoljno dugačku spiralu (slika 5 - slika sa en.wikipedia.org). Zavojnica može imati nekoliko desetina, stotina ili čak hiljada zavoja. Zavojnica se također naziva solenoid.

Rice. 5. Zavojnica (solenoid)

Magnetno polje jednog okreta, kao što znamo, ne izgleda baš jednostavno. Polja? pojedinačni zavoji namotaja su superponirani jedan na drugi, i čini se da bi rezultat trebao biti vrlo zbunjujuća slika. Međutim, to nije tako: polje dugačke zavojnice ima neočekivano jednostavnu strukturu (slika 6).

Rice. 6. strujno polje zavojnice

Na ovoj slici struja u zavojnici teče u suprotnom smeru kazaljke na satu kada se gleda sa leve strane (to će se desiti ako je na slici 5 desni kraj zavojnice spojen na „plus” izvora struje, a levi kraj na „ oduzeti"). Vidimo da magnetno polje zavojnice ima dva karakteristična svojstva.

1. Unutar zavojnice, daleko od njegovih rubova, nalazi se magnetsko polje homogena: u svakoj tački vektor magnetne indukcije je isti po veličini i smjeru. Linije polja su paralelne prave; savijaju se samo blizu ivica zavojnice kada izađu.

2. Izvan zavojnice polje je blizu nule. Što je više zavoja u zavojnici, slabije je polje izvan njega.

Imajte na umu da beskonačno duga zavojnica uopće ne oslobađa polje prema van: nema magnetnog polja izvan zavojnice. Unutar takvog namotaja, polje je svuda jednolično.

Ne podsjeća te ni na šta? Zavojnica je "magnetski" analog kondenzatora. Sjećate se da kondenzator stvara jednolično električno polje unutar sebe, čije se linije savijaju samo blizu rubova ploča, a izvan kondenzatora polje je blizu nule; kondenzator s beskonačnim pločama uopće ne oslobađa polje prema van, a polje je svuda unutar njega uniformno.

A sada - glavno zapažanje. Molimo uporedite sliku linija magnetnog polja izvan zavojnice (slika 6) sa linijama magnetnog polja na sl. 1 . To je ista stvar, zar ne? A sada dolazimo do pitanja koje vam se vjerovatno već dugo postavlja: ako se magnetsko polje stvara strujama i djeluje na struje, koji je onda razlog za pojavu magnetnog polja u blizini stalnog magneta? Uostalom, čini se da ovaj magnet nije provodnik sa strujom!

Amperova hipoteza. Elementarne struje

U početku se smatralo da se interakcija magneta objašnjava posebnim magnetskim nabojima koncentrisanim na polovima. Ali, za razliku od elektriciteta, niko nije mogao izolovati magnetni naboj; uostalom, kao što smo već rekli, nije bilo moguće odvojeno dobiti sjeverni i južni pol magneta - polovi su uvijek prisutni u magnetu u paru.

Sumnje u vezi sa magnetnim nabojima pojačao je Oerstedov eksperiment, kada se pokazalo da magnetno polje nastaje električnom strujom. Štaviše, pokazalo se da je za bilo koji magnet moguće odabrati provodnik sa strujom odgovarajuće konfiguracije, tako da se polje ovog vodiča poklapa sa poljem magneta.

Amper je iznio hrabru hipotezu. Nema magnetnih naboja. Djelovanje magneta se objašnjava zatvorenim električnim strujama unutar njega.

Koje su to struje? Ove elementarne struje cirkuliraju unutar atoma i molekula; oni su povezani sa kretanjem elektrona duž atomskih orbita. Magnetno polje bilo kojeg tijela sastoji se od magnetnih polja ovih elementarnih struja.

Elementarne struje mogu biti nasumično locirane jedna u odnosu na drugu. Tada se njihova polja međusobno poništavaju, a tijelo ne pokazuje magnetna svojstva.

Ali ako su elementarne struje raspoređene na koordiniran način, tada se njihova polja, zbrajajući, međusobno pojačavaju. Tijelo postaje magnet (slika 7; magnetsko polje će biti usmjereno prema nama; sjeverni pol magneta također će biti usmjeren prema nama).

Rice. 7. Elementarne struje magneta

Amperova hipoteza o elementarnim strujama razjasnila je svojstva magneta. Nerazdvojivost polova magneta postala je očigledna: na mjestu gdje je magnet presečen, dobijamo iste elementarne struje na krajevima. Sposobnost tijela da se magnetizira u magnetskom polju objašnjava se koordinisanim poravnanjem elementarnih struja koje se pravilno "okreću" (o rotaciji kružne struje u magnetskom polju pročitajte u sljedećem listu).

Amperova hipoteza se pokazala istinitom - to je pokazao daljnji razvoj fizike. Ideje o elementarnim strujama postale su sastavni dio teorije atoma, razvijene već u dvadesetom stoljeću - gotovo stotinu godina nakon Ampereovog sjajnog nagađanja.

Magnetna polja, baš kao i električna, mogu se grafički prikazati pomoću linija sile. Linija magnetnog polja, ili linija indukcije magnetskog polja, je linija čija se tangenta u svakoj tački poklapa sa smjerom vektora indukcije magnetskog polja.

A)	b)	V)

Rice. 1.2. Linije magnetskog polja istosmjerne struje (a),

kružna struja (b), solenoid (c)

Magnetne linije sile, kao i električne linije, ne seku se. Oni su nacrtani takvom gustinom da je broj linija koje prelaze jediničnu površinu okomito na njih jednak (ili proporcionalan) veličini magnetske indukcije magnetskog polja na datoj lokaciji.

Na sl. 1.2, A Prikazane su poljske linije jednosmjerne struje koje su koncentrične kružnice čiji se centar nalazi na strujnoj osi, a smjer je određen pravilom desnog zavrtnja (struja u provodniku je usmjerena prema čitaču).

Magnetne indukcijske linije mogu se „otkriti“ pomoću željeznih strugotina, koje se magnetiziraju u polju koje se proučava i ponašaju se poput malih magnetnih iglica. Na sl. 1.2, b prikazane su linije magnetnog polja kružne struje. Magnetno polje solenoida prikazano je na sl. 1.2, V.

Linije magnetnog polja su zatvorene. Polja sa zatvorenim linijama sila nazivaju se vrtložna polja. Očigledno je da je magnetno polje vrtložno polje. Ovo je značajna razlika između magnetnog i elektrostatičkog polja.

U elektrostatičkom polju, linije sile su uvijek otvorene: počinju i završavaju se električnim nabojem. Magnetne linije sile nemaju ni početak ni kraj. To odgovara činjenici da u prirodi nema magnetnih naboja.

1.4. Biot-Savart-Laplaceov zakon

Francuski fizičari J. Biot i F. Savard izveli su 1820. godine istraživanje magnetnih polja stvorenih strujama koje teku kroz tanke žice različitih oblika. Laplace je analizirao eksperimentalne podatke koje su dobili Biot i Savart i uspostavio odnos koji je nazvan Biot-Savart-Laplaceov zakon.

Prema ovom zakonu, indukcija magnetskog polja bilo koje struje može se izračunati kao vektorski zbir (superpozicija) indukcija magnetskog polja koje stvaraju pojedinačni elementarni dijelovi struje. Za magnetsku indukciju polja stvorenog trenutnim elementom dužine, Laplace je dobio formulu:

, (1.3)

gdje je vektor, po modulu jednak dužini provodničkog elementa i koji se poklapa u smjeru sa strujom (slika 1.3); – radijus vektor povučen od elementa do tačke u kojoj je određen; – modul radijus vektora.