Тема 3.3. Магнитное поле.

Основные понятия и термины по теме:

Магнитное поле. Магнитная индукция. Магнитный поток. Магнитная проницаемость. Сила Лоренца. Сила Ампера.

План изучения темы:

1. Опыты, доказывающие существование магнитного поля.
2. Графическое изображение магнитного поля.
3. Основные характеристики магнитного поля.
4. Сила Ампера. Сила Лоренца.
5. Магнитные свойства веществ.

Краткое изложение теоретических вопросов:

Магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около неё (опыт Эрстеда). Два параллельных проводника с током взаимно притягиваются, если токи текут в одном направлении, или отталкиваются, если в противоположных (опыт Ампера). Эти опыты доказывают существование невидимой материи называемой магнитным полем.

Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю. Магнитное поле образуется только вокруг движущихся электрических зарядов, и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды. Магнитное и электрические поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле. Всякое изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля и, наоборот, всякое изменение магнитного поля сопровождается возникновением электрического поля. Электромагнитное поле распространяется со скоростью света, т. е. 300 000 км/с.

Графическое изображение магнитного поля. Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми линиями, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля; магнитные силовые линии всегда являются непрерывными и замкнутыми. Направление магнитного поля в каждой точке может быть определено при помощи магнитной стрелки. Северный полюс стрелки всегда устанавливается в направлении действия сил поля. Конец постоянного магнита, из которого выходят силовые линии, принято считать северным полюсом, а противоположный конец, в который входят силовые линии, — южным полюсом (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны). Распределение силовых линий между полюсами плоского магнита можно обнаружить при помощи стальных опилок, насыпанных на лист бумаги, положенный на полюсы. Для магнитного поля в воздушном зазоре между двумя параллельно расположенными разноименными полюсами постоянного магнита характерно равномерное распределение силовых магнитных линий (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны).

Рис. Схемы действия магнитного поля на движущиеся электрические заряды: положительный ион (а) и электрон (б).

Рис. Магнитное поле, созданное постоянным магнитом.

Рис.Однородное магнитное поле между полюсами постоянного магнита.

Рис. Магнитный поток, пронизывающий катушку при перпендикулярном (а) и наклонном (б) ее положениях по отношению к направлению магнитных силовых линий.

Для более наглядного изображения магнитного поля силовые линии располагают реже или гуще. В тех местах, где магнитное роле сильнее, силовые линии располагают ближе друг к другу, там же, где оно слабее, — дальше друг от друга. Силовые линии нигде не пересекаются.

Во многих случаях удобно рассматривать магнитные силовые линии как некоторые упругие растянутые нити, которые стремятся сократиться, а также взаимно отталкиваются друг от друга (имеют взаимный боковой распор). Такое механическое представление о силовых линиях позволяет наглядно объяснить возникновение электромагнитных сил при взаимодействии магнитного поля и Проводника с током, а также двух магнитных полей.

Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток, магнитная проницаемость и напряженность магнитного поля.

Магнитная индукция и магнитный поток. Интенсивность магнитного поля, т. е. способность его производить работу, определяется величиной, называемой магнитной индукцией. Чем сильнее магнитное поле, созданное постоянным магнитом или электромагнитом, тем большую индукцию оно имеет. Магнитную индукцию В можно характеризовать плотностью силовых магнитных линий, т. е. числом силовых линий, проходящих через площадь 1 м² или 1 см², расположенную перпендикулярно магнитному полю. Различают однородные и неоднородные магнитные поля. В однородном магнитном поле магнитная индукция в каждой точке поля имеет одинаковое значение и направление. Однородным может считаться поле в воздушном зазоре между разноименными полюсами магнита или электромагнита при некотором удалении от его краев. Магнитный поток Ф, проходящий через какую-либо поверхность, определяется общим числом магнитных силовых линий, пронизывающих эту поверхность, например катушку, следовательно, в однородном магнитном поле

Ф = BS

где S — площадь поперечного сечения поверхности, через которую проходят магнитные силовые линии. Отсюда следует, что в таком поле магнитная индукция равна потоку, поделенному на площадь S поперечного сечения:

B = Ф/S

Если какая-либо поверхность расположена наклонно по отношению к направлению магнитных силовых линий (рис. 37, б), то пронизывающий ее поток будет меньше, чем при перпендикулярном ее положении, т. е. Ф₂ будет меньше Ф₁.

В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб), эта единица имеет размерность В*с (вольт-секунда). Магнитная индукция в системе единиц СИ измеряется в теслах (Тл); 1 Тл = 1 Вб/м².

Сила Ампера, действующая на отрезок проводника длиной Δ l с силой тока I, находящийся в магнитном поле B,

может быть выражена через силы, действующие на отдельные носители заряда.

Выражение для силы Ампера можно записать в виде:

Так как полное число N носителей свободного заряда в проводнике длиной Δ l и сечением S равно n S Δ l, то сила, действующая на одну заряженную частицу, равна

Эту силу называют силой Лоренца. Угол α в этом выражении равен углу между скоростью и вектором магнитной индукции. Направление силы Лоренца, действующей на положительно заряженную частицу, так же, как и направление силы Ампера, может быть найдено по правилу левой руки или по правилу буравчика. Взаимное расположение векторов , и для положительно заряженной частицы показано на рис.

Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам и .

При движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не совершает. Поэтому модуль вектора скорости при движении частицы не изменяется.

Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а ее скорость лежит в плоскости, перпендикулярной вектору то частица будет двигаться по окружности радиуса: .

Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы.

Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен:

Это выражение показывает, что для заряженных частиц заданной массы m период обращения не зависит от скорости υ и радиуса траектории R.

Физическая величина, показывающая, во сколько раз индук­ция магнитного поля в одной среде больше или меньше индукции маг­нитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью µ.

Магнитные свойства вещества:

1. Диамагнетики — µ чуть < 1. µ_{висмута}=0, 9998 (свинец, цинк, азот и др.).
2. Парамагнетики — µ чуть> 1. µ_{алюминия}=1, 000023 (кислород, ни­кель и др.).

3. Ферромагнетики — µ > > 1. µ_стали = 8^.10³ (железо, никель, кобальт и их сплавы). Сплав железа с никелем: µ =2, 5^.10⁵.

Свойства ферромагнетиков:

1. Обладают остаточным магнетизмом.
2. µ зависит от индукции внешнего магнитного поля.
3. Температура, при которой исчезают ферромагнитные свой­ства, называется точкой Кюри (вещество становится парамагнетиком; точка Кюри для железа равна 770⁰С, для никеля 360⁰С).

Лабораторная работа - «не предусмотрено».

Практические занятия: