Файл: Lektsia_3.doc

Лекція 3

Тема: «Магнітне поле струму, його характеристики, електромагнітна сила. Електромагніти, їх застосування в техніці».

Мета: «Розглянути магнітне поле струму, визначити його характеристики; навчитися визначати величину електромагнітної сили та її напрям, силу тяги електромагніту».

Література: Л1, ст. 69..80.

Основні питання:

1. Магнітне поле струму, його характеристики, намагнічуюча сила.

2. Магнітна індукція і напруженість магнітного поля. Магнітна проникність.

3. Закон Ампера.

4. Електромагніти, їх застосування в техніці.

1. Магнітне поле струму, його характеристики, намагнічуюча сила.

Досліди показують, що, подібно тому, як в просторі навколо електричного заряду існує електричне поле, в просторі навколо електричних струмів існує силове поле яке називають магнітним полем.

Магнітне поле виникає також при існуванні змінного в часі електричного поля. Тобто змінні електричне і магнітне поля існують одночасно. Вони зв’язані нероздільно і створюють єдине електромагнітне поле. Тому магнітне (як і електростатичне) поле необхідно розглядати як окремий випадок загального змінного електромагнітного поля, коли постійний магніт нерухомий, або коли нерухомий провідник з постійним струмом.

В електростатиці для вивчення характеристик електричного поля використовують точковий заряд. Аналогії заряду в магнітному полі не існує. Тому для вивчення властивостей магнітного поля використовують дію поля на плоский контур зі струмом (рамку з струмом). При цьому розміри контура зі струмом повинні бути малими порівнюючи з відстанню до провідника зі струмом, магнітне поле яких вивчається. Досліди показують, що рамка з струмом в магнітному полі повертається певним чином, тобто магнітне поле оказує на рамку орієнтуючу дію. А це значить, що на рамку з струмом в магнітному полі діє пара сил, причому момент цієї пари М (як показують досліди) в залежності від орієнтації рамки змінюються від нуля до максимального значення. Ця орієнтуюча дія магнітного поля на рамку з струмом і дозволяє використати її для визначення величини і напрямку магнітного поля.

Подібно до того, як електростатичне поле характеризується силовою характеристикою – напруженістю поля Е, магнітне поле характеризується магнітною індукцією В – це силова характеристика магнітного поля, вона показує з якою силою діє магнітне поле на розміщений в полі провідник зі струмом. Таким чином, магнітне поле, як і електростатичне існує об’єктивно і його легко виявити. Крім цього, магнітне поле, як і електростатичне, матеріально, воно являє собою одну із форм існування матерії.

---

Магнітне поле, подібно до електричного, можна зображати графічно за допомогою силових ліній – ліній індукції магнітного поля. Лінією індукції магнітного поля називають таку лінію, дотична до якої в кожній точці співпадає з напрямком вектора індукції поля в цій точці (рис. 1).

Рис. 1

Так як індукція поля в будь-якій точці має одне єдине значення , то через одну точку поля можна провести тільки одну силову лінію і отже силові лінії магнітного поля, як і електричного, не перетинаються.

За допомогою ліній індукції можна графічно зобразити і величину індукції магнітного поля. Для цього домовились, через одиничну площину, перпендикулярну до ліній індукції, провести стільки силових ліній, щоб їх число було рівне В, тобто:

,

де Ф - число силових ліній, що перетинає площину S, яка перпендикулярна силовим лініям – магнітний потік. При цьому вважається, що в межах S. Магнітне поле буде однорідним, якщо у всіх точках поля (силові лінії поля паралельні і однакова їх густина).

Лінії індукції магнітного поля завжди замкнуті й охоплюють провідники із струмом. Замкнутість силових ліній магнітного поля характеризує вихровий характер цього поля.

Як вже зазначалось, електричний струм має властивості збуджувати магнітне поле. Ця властивість струму характеризується намагнічуючою силою, яку позначають буквою F. Її також називають магніторушійною силою (МРС). В системі СІ дана сила приймається чисельно рівною силі струму, яка визиває магнітне поле так, що МРС провідника зі струмом F=I.

Якщо струм проходить по котушці з числом витків W, то МРС F=IW.

Для визначення напряму МРС котушки чи витка зі струмом використовують правило правої руки: якщо обхватити котушку правою рукою так, щоб чотири пальці її знаходились по напряму струму в витках котушки, то відігнутий великий палець руки вкаже напрям МРС.

---

2. Магнітна індукція і напруженість магнітного поля. Магнітна проникність.

Оскільки магнітне поле вивчається за допомогою рамки із струмом по орієнтуючій дії магнітного поля на рамку, то домовились визначати положення рамки в просторі з допомогою вектора , перпендикулярного до площини рамки (нормаль до рамки).

За додатній напрямок нормалі до рамки приймають нормаль, зв’язану зі струмом правилом свердлика (рис.2).

Рис. 2

Для визначення напрямку магнітного поля рамки розміщують в полі і дають їй можливість вільно повертатись і зайняти в просторі таке положення, при якому обертальний момент дорівнює нулю і рамка знаходитиметься в положенні стійкої рівноваги. Тоді напрям нормалі до рамки співпадає з напрямком магнітного поля ().

Обертальний момент пари сил, що діє на рамку з струмом в магнітному полі дозволяє використати її для кількісної характеристики поля. Розглянемо, які властивості рамки впливають на обертальний момент.

Досліди показують, що обертальний момент М має максимальне значення, якщо нормаль рамки перпендикулярна до магнітного поля. Крім цього обертальний момент М пропорційний силі струму в рамці І , та площі рамки S, тобто

Величину P_m=I·S називають магнітним моментом рамки із струмом. Отже

М~P_m

Магнітний момент рамки із струмом – величина векторна. Напрям вектора співпадає з напрямком нормалі (рис.2).

Основною характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції . За напрямок вектора магнітної індукції приймають напрям додатньої нормалі до рамки, яка знаходиться в положенні стійкої рівноваги в магнітному полі.

---

Досліди показують, що якщо в одну і ту ж точку поля розміщувати однаково орієнтовані рамки з магнітними моментами - то на них будуть діяти різні обертальні моменти М_1; М₂; М₃ , але відношення буде сталим, тобто

Це відношення і визначає величину вектора індукції магнітного поля.

Вектором індукції магнітного поля називають вектор, чисельно рівний максимальному обертальному моменту, який діє на одиничну рамки із струмом (P_m=1) в магнітному полі і направлений вздовж нормалі до рамки, коли вона знаходиться в стійкій рівновазі.

( 3 )

І якщо , то .

Відзначимо, що напрям вектора магнітної індукції можна визначити також за допомогою магнітної стрілки. Якщо безмежно мала стрілка зайняла положення стійкої рівноваги, то вектор паралельний вісі стрілки і направлений від південного полюса до північного.

Розмірність індукції в системі СІ можна визначити на основі формули (3).

.

Індукція магнітного поля залежить від властивостей речовини. Магнітні властивості речовини характеризуються відносною магнітною проникністю, яка показує, в скільки раз індукція магнітного поля в речовині більша або менша індукції поля в вакуумі. Тобто, відносна магнітна проникність речовини  дорівнює відношенню індукції магнітного поля в речовині до індукції магнітного поля в вакуумі:

( 4 )

Крім індукції магнітного поля, яка залежить від властивостей речовини, магнітне поле характеризується напруженістю магнітного поля - це також силова характеристика поля, але вона не залежить від властивостей речовини, причому для вакууму

---

( 5 )

де - магнітна стала.

Напруженість магнітного поля визначається тільки струмом і не залежить від властивостей речовини.

; .

де l – довжина магнітної лінії з радіусом а.

При проходженні незмінного струму I по котушці з числом витків W напруженість поля Н залишається незмінною. Вона також буде незмінною при внесенні до котушки стального сердечника.

Враховуючи (4) і (5) , або ( 6 )

де - абсолютна магнітна проникність. В системі СІ індукція магнітного поля вимірюється в теслах (Тл), а напруженість магнітного поля – А/м.

---