Jei magnetinę adatą pridedate prie tiesaus laidininko, nešančio elektros srovę, ji bus linkusi tapti statmena plokštumai, einančiai per laidininko ašį ir adatos sukimosi centrą. Tai rodo, kad strėlę veikia specialiosios pajėgos, kurios vadinamos magnetinės jėgos. Be poveikio magnetinei adatai, magnetinis laukas veikia judančias įkrautas daleles ir srovę nešančius laidininkus, esančius magnetiniame lauke. Magnetiniame lauke judančiuose laiduose arba stacionariuose laiduose, esančiuose kintamajame magnetiniame lauke, atsiranda indukcinė emisija. d.s.
|
Pagal tai, kas išdėstyta aukščiau, galime duoti sekantį apibrėžimą magnetinis laukas.
Viena iš dviejų pusių vadinama magnetiniu lauku elektromagnetinis laukas, susijaudinęs elektros krūviai judančias daleles ir pokyčius elektrinis laukas ir pasižymi jėgos poveikiu judančioms įkrautoms dalelėms, taigi ir elektros srovėms.
Jei per kartoną praleidžiate storą laidininką ir per jį praleidžiate elektros srovę, plieninės drožlės, supiltos ant kartono, bus aplink laidininką koncentriniais apskritimais, šiuo atveju vadinamosios magnetinės indukcijos linijos (78 pav.). Kartoną galime perkelti laidininku aukštyn arba žemyn, tačiau plieninių drožlių vieta nepasikeis. Vadinasi, aplink laidininką per visą jo ilgį susidaro magnetinis laukas.
Jei ant kartono dėsite mažus magnetinės adatos, tada pakeitus srovės kryptį laidininke, matosi, kad magnetinės adatėlės suksis (79 pav.). Tai rodo, kad magnetinės indukcijos linijų kryptis keičiasi atsižvelgiant į srovės kryptį laidininke.
Aplink srovę nešantį laidininką turi magnetinės indukcijos linijos šias savybes: 1) magnetinės indukcijos linijos tiesus laidininkas turėti koncentrinių apskritimų formą; 2) kuo arčiau laidininko, tuo tankesnės yra magnetinės indukcijos linijos; 3) magnetinė indukcija (lauko intensyvumas) priklauso nuo srovės stiprumo laidininke; 4) magnetinės indukcijos linijų kryptis priklauso nuo srovės krypties laidininke.
|
Magnetinės indukcijos linijų aplink srovę nešantį laidininką kryptis gali būti nustatyta pagal „įtvaros taisyklę:“. Jei kamščiatraukis su dešiniuoju sriegiu juda transliaciniu būdu srovės kryptimi, tada rankenos sukimosi kryptis sutaps su magnetinės indukcijos linijų aplink laidininką kryptimi (81 pav.),
Magnetinė adata, įvesta į srovės laidininko lauką, yra išilgai magnetinės indukcijos linijų. Todėl, norėdami nustatyti jo vietą, taip pat galite naudoti „įvarčio taisyklę“ (82 pav.). Magnetinis laukas yra viena iš svarbiausių elektros srovės apraiškų ir negali būti
Gaunamas nepriklausomai ir atskirai nuo srovės. Magnetiniam laukui būdingas magnetinės indukcijos vektorius, todėl jis turi tam tikrą dydį ir tam tikrą kryptį erdvėje.
|
Kiekybinę magnetinės indukcijos išraišką, apibendrinus eksperimentinius duomenis, nustatė Biot ir Savart (83 pav.). Elektros srovių magnetinių laukų matavimas pagal magnetinės adatos nuokrypį įvairių dydžių ir formą, abu mokslininkai priėjo prie išvados, kad kiekvienas srovės elementas tam tikru atstumu nuo savęs sukuria magnetinį lauką, kurio magnetinė indukcija AB yra tiesiogiai proporcinga šio elemento ilgiui A1, tekančios srovės dydžiui I, kampo a tarp srovės krypties ir spindulio vektoriaus, jungiančio mus dominantį lauko tašką su tam tikru srovės elementu, sinusas ir yra atvirkščiai proporcingas šio spindulio vektoriaus r ilgio kvadratui:
henry (h) - induktyvumo vienetas; 1 gn = 1 omas sek.
- santykinis magnetinis pralaidumas - bematis koeficientas, parodantis, kiek kartų tam tikros medžiagos magnetinis pralaidumas yra didesnis už tuštumos magnetinį laidumą. Magnetinės indukcijos matmenis galima rasti naudojant formulę
Volt-sekundė kitaip vadinama Weberiu (vb):
|
Praktiškai yra mažesnis magnetinės indukcijos vienetas - gauss (gs):
Bioto ir Savarto dėsnis leidžia apskaičiuoti begalinio ilgio tiesiojo laidininko magnetinę indukciją:
kur yra atstumas nuo laidininko iki taško, kuriame jis nustatomas
Magnetinė indukcija. Magnetinės indukcijos ir produkto santykis magnetiniai laidumai vadinamas magnetinio lauko stiprumu ir žymimas raide H:
Paskutinė lygtis sieja dvi magnetiniai dydžiai: indukcijos ir magnetinio lauko stiprumas. Raskime H matmenį:
Kartais jie naudoja kitą įtampos vienetą - oersted (er):
1 er = 79,6 a/m = 0,796 a/cm.
Magnetinio lauko stipris H, kaip ir magnetinė indukcija B, yra vektorinis dydis.
Linijos liestinė, kurios kiekvienas taškas sutampa su magnetinės indukcijos vektoriaus kryptimi, vadinama magnetinės indukcijos linija arba magnetinės indukcijos linija.
Magnetinės indukcijos ir ploto dydžio sandauga, statmenai krypčiai laukas (magnetinės indukcijos vektorius) vadinamas magnetinės indukcijos vektoriaus srautu arba tiesiog magnetiniu srautu ir žymimas raide F:
Matmenys magnetinis srautas:
y., magnetinis srautas matuojamas voltų sekundėmis arba weberiais. Mažesnis magnetinio srauto vienetas yra maksimalus šulinys (µs):
1 wb = 108 µs. 1 μs = 1 gf cm2.
Temos Vieningo valstybinio egzamino kodifikatorius : magnetų sąveika, laidininko magnetinis laukas su srove.
Magnetinės medžiagos savybės žmonėms buvo žinomos nuo seno. Magnetai gavo savo pavadinimą senovinis miestas Magnezija: mineralas (vėliau pavadintas magnetinė geležies rūda arba magnetitas), kurių gabalai traukė geležinius daiktus.
Magnetų sąveika
Kiekvieno magneto dviejose pusėse yra Šiaurės ašigalis Ir Pietų ašigalis. Du magnetai vienas prie kito traukia priešingus polius ir atstumia panašiais poliais. Magnetai gali veikti vienas kitą net per vakuumą! Tačiau visa tai primena elektros krūvių sąveiką magnetų sąveika nėra elektrinė. Tai liudija šie eksperimentiniai faktai.
Magnetinė jėga silpnėja, kai magnetas įkaista. Sąveikos stiprumas taškiniai mokesčiai nepriklauso nuo jų temperatūros.
Magnetinė jėga susilpnėja, jei magnetas purtomas. Nieko panašaus neįvyksta su elektra įkrautais kūnais.
Teigiamus elektros krūvius galima atskirti nuo neigiamų (pavyzdžiui, elektrifikuojant kūnus). Bet atskirti magneto polių neįmanoma: jei magnetą supjaustysite į dvi dalis, tada pjovimo vietoje taip pat atsiranda poliai, o magnetas skyla į du magnetus, kurių galuose yra priešingi poliai (orientuota lygiai taip pat). kaip pradinio magneto poliai).
Taigi magnetai Visada bipoliniai, jie egzistuoja tik forma dipoliai. Izoliuoti magnetiniai poliai (vadinami magnetiniai monopoliai - elektros krūvio analogai) gamtoje neegzistuoja (bet kokiu atveju jie dar nebuvo eksperimentiškai atrasti). Tai bene įspūdingiausia elektros ir magnetizmo asimetrija.
Kaip ir elektra įkrauti kūnai, magnetai veikia elektros krūvius. Tačiau magnetas veikia tik juda mokestis; jei krūvis yra ramybės būsenoje magneto atžvilgiu, tai magnetinės jėgos poveikis krūviui nepastebimas. Priešingai, elektrifikuotas kūnas veikia bet kokį krūvį, nepaisant to, ar jis yra ramybės būsenoje, ar juda.
Autorius šiuolaikinės idėjos trumpojo nuotolio teorija, magnetų sąveika vykdoma per magnetinis laukas Būtent magnetas aplinkinėje erdvėje sukuria magnetinį lauką, kuris veikia kitą magnetą ir sukelia matomą šių magnetų trauką arba atstūmimą.
Magneto pavyzdys yra magnetinė adata kompasas. Naudodami magnetinę adatą galite įvertinti magnetinio lauko buvimą tam tikrame erdvės regione, taip pat lauko kryptį.
Mūsų planeta Žemė yra milžiniškas magnetas. Netoli šiaurės geografinis polius Yra Žemės magnetinis pietų ašigalis. Todėl šiaurinis kompaso adatos galas, pasukamas į pietus magnetinis poliusŽemė, nurodo geografinę šiaurę. Iš čia kilo magneto pavadinimas „šiaurinis polius“.
Magnetinio lauko linijos
Prisimename, elektrinis laukas tiriamas naudojant nedidelius bandomuosius krūvius, pagal kuriuos galima spręsti apie lauko dydį ir kryptį. Bandomojo krūvio analogas esant magnetiniam laukui yra maža magnetinė adata.
Pavyzdžiui, galite gauti keletą geometrinis vaizdas apie magnetinį lauką, jei jis įdėtas skirtingus taškus erdvė labai mažos kompaso rodyklės. Patirtis rodo, kad rodyklės išsidės išilgai tam tikros linijos- vadinamasis magnetinio lauko linijos. Apibrėžkime šią sąvoką formoje kiti trys taškų.
1. Magnetinio lauko linijos arba magnetinės jėgos linijos yra nukreiptos erdvėje linijos, turinčios tokią savybę: maža kompaso rodyklė, esanti kiekviename tokios linijos taške, yra nukreipta šios linijos liestine..
2. Magnetinio lauko linijos kryptis laikoma šiaurinių kompaso rodyklių, esančių šios linijos taškuose, kryptimi..
3. Kuo tankesnės linijos, tuo stipresnis magnetinis laukas tam tikroje erdvės srityje..
Geležies drožlės gali sėkmingai tarnauti kaip kompaso adatos: magnetiniame lauke mažos drožlės įmagnetinamos ir elgiasi lygiai taip pat, kaip magnetinės adatos.
Taigi, išpylus geležies drožlių aplink nuolatinį magnetą matysime maždaug tokį magnetinio lauko linijų paveikslą (1 pav.).
Ryžiai. 1. Nuolatinio magneto laukas
Magneto šiaurinis ašigalis žymimas mėlyna spalva ir raide; pietų ašigalis - raudona ir raidė . Atkreipkite dėmesį, kad lauko linijos palieka šiaurinį magneto polių ir patenka į pietinį ašigalį: juk būtent į pietinį magneto polių bus nukreiptas šiaurinis kompaso adatos galas.
Oerstedo patirtis
Nepaisant to, kad elektros ir magnetiniai reiškiniai žmonėms buvo žinomi nuo antikos laikų, tarp jų nėra jokio ryšio. ilgą laiką nebuvo pastebėta. Keletą šimtmečių elektros ir magnetizmo tyrimai vyko lygiagrečiai ir nepriklausomai vienas nuo kito.
Tai nuostabus faktas kad elektriniai ir magnetiniai reiškiniai iš tikrųjų yra susiję vienas su kitu, pirmą kartą buvo atrasta 1820 m. – garsiajame Oerstedo eksperimente.
Oerstedo eksperimento schema parodyta fig. 2 (vaizdas iš svetainės rt.mipt.ru). Virš magnetinės adatos (ir yra šiaurinis ir pietinis adatos poliai) yra metalinis laidininkas, prijungtas prie srovės šaltinio. Jei uždarysite grandinę, rodyklė pasisuks statmenai laidininkui!
Šis paprastas eksperimentas tiesiogiai parodė ryšį tarp elektros ir magnetizmo. Eksperimentai, atlikti po Oerstedo eksperimento, tvirtai patvirtino tokį modelį: sukuriamas magnetinis laukas elektros srovės ir veikia sroves.
Ryžiai. 2. Oerstedo eksperimentas
Srovę nešančio laidininko generuojamų magnetinio lauko linijų raštas priklauso nuo laidininko formos.
Tiesios vielos, nešančios srovę, magnetinis laukas
Tiesios vielos, nešančios srovę, magnetinio lauko linijos yra koncentriniai apskritimai. Šių apskritimų centrai guli ant vielos, o jų plokštumos statmenos vielai (3 pav.).
Ryžiai. 3. Tiesiojo laido laukas su srove
Nustatyti magnetinio lauko linijų kryptį nuolatinė srovė Yra dvi alternatyvios taisyklės.
Taisyklė pagal laikrodžio rodyklę. Lauko linijos eina prieš laikrodžio rodyklę, jei žiūrite taip, kad srovė teka mūsų link.
Varžtų taisyklė(arba gimlet taisyklė, arba kamščiatraukio taisyklė- tai kažkam artimesnis ;-)). Lauko linijos eina ten, kur reikia pasukti varžtą (su įprastu dešiniuoju sriegiu), kad jis judėtų išilgai sriegio srovės kryptimi.
Naudokite taisyklę, kuri jums labiausiai tinka. Geriau priprasti prie taisyklės pagal laikrodžio rodyklę – vėliau patys pamatysite, kad ji universalesnė ir lengviau naudojama (o paskui su dėkingumu prisiminkite tai pirmaisiais metais, kai studijuosite analitinę geometriją).
Fig. 3 atsirado kažkas naujo: tai vektorius, vadinamas magnetinio lauko indukcija, arba magnetinė indukcija. Magnetinės indukcijos vektorius yra analogiškas elektrinio lauko stiprumo vektoriui: jis tarnauja galios charakteristika magnetinis laukas, nustatantis jėgą, kuria magnetinis laukas veikia judančius krūvius.
Apie jėgas magnetiniame lauke pakalbėsime vėliau, bet kol kas tik atkreipsime dėmesį, kad magnetinio lauko dydį ir kryptį lemia magnetinės indukcijos vektorius. Kiekviename erdvės taške vektorius nukreiptas ta pačia kryptimi kaip ir šiaurinis kompaso rodyklės galas. šį tašką, būtent lauko linijos liestinė šios linijos kryptimi. Magnetinė indukcija matuojama Tesla(Tl).
Kaip ir elektrinio lauko atveju, magnetinio lauko indukcijai taikoma: superpozicijos principas. Tai slypi tame, kad tam tikrame taške sukurtų magnetinių laukų indukcija skirtingos srovės, susumuokite vektoriškai ir gaukite gautą magnetinės indukcijos vektorių:.
Ritės su srove magnetinis laukas
Pasvarstykime apskritas posūkis, per kurią jis cirkuliuoja D.C.. Paveiksle nerodome šaltinio, kuris sukuria srovę.
Mūsų orbitos lauko linijų vaizdas atrodys maždaug taip (4 pav.).
Ryžiai. 4. Ritės su srove laukas
Mums bus svarbu nustatyti, į kurią puserdvę (ritės plokštumos atžvilgiu) nukreiptas magnetinis laukas. Vėlgi, turime dvi alternatyvias taisykles.
Taisyklė pagal laikrodžio rodyklę. Lauko linijos eina ten, žiūrint iš to, kur atrodo, kad srovė cirkuliuoja prieš laikrodžio rodyklę.
Varžtų taisyklė. Lauko linijos eina ten, kur judės varžtas (su įprastu dešiniuoju sriegiu), jei pasukamas srovės kryptimi.
Kaip matote, srovė ir laukas keičia vaidmenis – lyginant su šių taisyklių formulavimu nuolatinės srovės atveju.
Srovės ritės magnetinis laukas
Ritė Jis veiks, jei vielą tvirtai suvyniosite, pasuksite į pakankamai ilgą spiralę (5 pav. – vaizdas iš en.wikipedia.org). Ritė gali turėti kelias dešimtis, šimtus ar net tūkstančius apsisukimų. Ritė taip pat vadinama solenoidas.
Ryžiai. 5. Ritė (solenoidas)
Vieno posūkio magnetinis laukas, kaip žinome, neatrodo labai paprastas. Laukai? atskiri ritės posūkiai yra uždėti vienas ant kito, ir atrodo, kad rezultatas turėtų būti labai painus vaizdas. Tačiau taip nėra: ilgos ritės laukas buvo netikėtai paprasta struktūra(6 pav.).
Ryžiai. 6. srovės ritės laukas
Šiame paveiksle srovė ritėje teka prieš laikrodžio rodyklę žiūrint iš kairės (taip atsitiks, jei 5 pav. dešinysis ritės galas bus prijungtas prie srovės šaltinio „pliuso“, o kairysis – prie „ minusas“). Matome, kad ritės magnetinis laukas turi dvi būdingas savybes.
1. Ritės viduje, toli nuo jos kraštų, magnetinis laukas yra vienalytis: kiekviename taške magnetinės indukcijos vektorius yra vienodo dydžio ir krypties. Lauko linijos yra lygiagrečios tiesės; jie išsilenkia tik šalia ritės kraštų, kai išeina.
2. Už ritės ribų laukas yra artimas nuliui. Kuo daugiau ritėje apsisukimų, tuo silpnesnis laukas už jos ribų.
Atkreipkite dėmesį, kad be galo ilga ritė visiškai neatleidžia lauko į išorę: už ritės ribų nėra magnetinio lauko. Tokios ritės viduje laukas visur vienodas.
Ar tau nieko neprimena? Ritė yra „magnetinis“ kondensatoriaus analogas. Prisimenate, kad kondensatorius sukuria vienodą elektrinį lauką savo viduje, kurio linijos lenkiasi tik prie plokščių kraštų, o už kondensatoriaus laukas yra artimas nuliui; kondensatorius su begalinėmis plokštelėmis visiškai nepaleidžia lauko į išorę, o jo viduje laukas visur vienodas.
O dabar – pagrindinis pastebėjimas. Palyginkite magnetinio lauko linijų, esančių už ritės ribų, vaizdą (6 pav.) su magnetinio lauko linijomis pav. 1. Tai tas pats dalykas, ar ne? O dabar prieiname prie klausimo, kuris tikriausiai jau seniai kirbėjo jūsų galvoje: jeigu magnetinis laukas susidaro srovės ir veikia sroves, tai dėl ko prie nuolatinio magneto atsiranda magnetinis laukas? Juk atrodo, kad šis magnetas nėra laidininkas su srove!
Ampero hipotezė. Elementariosios srovės
Iš pradžių buvo manoma, kad magnetų sąveika paaiškinama specialiais magnetiniais krūviais, sutelktais poliuose. Tačiau, skirtingai nei elektra, niekas negalėjo išskirti magnetinio krūvio; juk, kaip jau minėjome, nebuvo įmanoma atskirai gauti magneto šiaurinio ir pietų polių - magnete poliai visada yra poromis.
Abejonių dėl magnetiniai krūviai Oerstedo patirtis paaštrėjo, kai paaiškėjo, kad magnetinį lauką sukuria elektros srovė. Be to, paaiškėjo, kad bet kuriam magnetui galima pasirinkti laidininką su atitinkamos konfigūracijos srove, kad šio laidininko laukas sutaptų su magneto lauku.
Ampere'as iškėlė drąsią hipotezę. Magnetinių krūvių nėra. Magneto veikimas paaiškinamas jo viduje esančiomis uždaromis elektros srovėmis.
Kokios tos srovės? Šios elementarios srovės cirkuliuoja atomų ir molekulių viduje; jie siejami su elektronų judėjimu išilgai atominės orbitos. Bet kurio kūno magnetinis laukas susideda iš šių elementariųjų srovių magnetinių laukų.
Elementariosios srovės gali būti atsitiktinai išdėstytos viena kitos atžvilgiu. Tada jų laukai vienas kitą panaikina, o kūnas nesimato magnetines savybes.
Bet jei elementarios srovės yra išdėstytos koordinuotai, tada jų laukai, susumavus, sustiprina vienas kitą. Kūnas tampa magnetu (7 pav.; magnetinis laukas bus nukreiptas į mus; magneto šiaurinis polius taip pat bus nukreiptas į mus).
Ryžiai. 7. Elementariųjų magnetų srovės
Ampero hipotezė apie elementariąsias sroves išaiškino magnetų savybes. Magneto kaitinimas ir purtymas sunaikina jo elementariųjų srovių tvarką, o magnetinės savybės susilpnėja. Tapo akivaizdus magneto polių neatskiriamumas: toje vietoje, kur magnetas nupjautas, galuose gauname tokias pačias elementarias sroves. Kūno gebėjimas įmagnetinti magnetiniame lauke paaiškinamas suderintu elementariųjų srovių, kurios tinkamai „pasisuka“, išsidėstymu (apie žiedinės srovės sukimąsi magnetiniame lauke skaitykite kitame lape).
Ampero hipotezė pasitvirtino – tai parodė tolesnė plėtra fizika. Idėjos apie elementarias sroves tapo neatskiriama atomo teorijos dalimi, kuri buvo sukurta jau XX amžiuje - praėjus beveik šimtui metų po puikaus Ampero spėliojimo.
Švietimo ir mokslo ministerija Rusijos Federacija
Federalinis valstybės biudžetas ugdymo įstaiga
Aukštesnis profesinis išsilavinimas
Nacionalinis mineralinių išteklių universitetas „Kasyba“
Bendrosios ir techninė fizika
(elektromagnetizmo laboratorija)
Magnetinio lauko tyrimas
(Bioto-Savarto-Laplaso įstatymas)
Gairės laboratoriniam darbui Nr.4
Visų specialybių studentams
SANKT PETERBURGAS
Darbo tikslas:Įvairių konfigūracijų laidininkų sukurtų magnetinių laukų matavimas. Eksperimentinis Biot-Savart-Laplace dėsnio patikrinimas.
Teoriniai pagrindai laboratoriniai darbai
Magnetinių laukų naudojimas pramonėje buvo plačiai pritaikytas. Energijos perdavimo į tam tikrus pramoninius ir kitus įrenginius problemą galima išspręsti naudojant magnetinį lauką (pavyzdžiui, transformatoriuose). Sodrinimo pramonėje atskyrimas atliekamas naudojant magnetinį lauką (magnetinius separatorius), t.y. atskirti mineralus nuo atliekų. O gaminant dirbtines abrazyvas, mišinyje esantis ferosilicis nusėda krosnies dugne, tačiau nedideli kiekiai įterpiami į abrazyvą ir vėliau pašalinami magnetu. Be magnetinio lauko negalėtų veikti elektros mašinų generatoriai ir elektros varikliai. Sintezija, magnetodinaminis elektros generavimas, įkrautų dalelių sinchrotronuose pagreitis, nuskendusių laivų pakėlimas ir kt. – visa tai yra sritys, kuriose reikalingi magnetai. Natūralūs magnetai, kaip taisyklė, nėra pakankamai efektyvūs sprendžiant kai kurias gamybos problemas ir dažniausiai naudojami tik buitiniuose prietaisuose ir matavimo įrangoje. Pagrindinis magnetinio lauko pritaikymas yra elektrotechnika, radijo inžinerija, prietaisų gamyba, automatika ir telemechanika. Čia feromagnetinės medžiagos naudojamos magnetinėms grandinėms, relėms ir kitiems magnetoelektriniams prietaisams gaminti. Natūralūs (arba natūralūs) magnetai gamtoje atsiranda magnetinių rūdų telkinių pavidalu. Kasyboje atskiri skyriai yra skirti magnetinių rūdos telkinių plėtrai ir turi savo specifiką, pavyzdžiui, yra tokių mokslų kaip magnetochemija ir magnetinių ydų aptikimas. Didžiausias žinomas natūralus magnetas yra Tartu universitete. Jo masė yra 13 kg, ji gali pakelti 40 kg krovinį. Stiprių magnetinių laukų kūrimo problema tapo viena iš pagrindinių šiuolaikinė fizika ir technologija. Stiprūs magnetai gali būti sukurti kaip laidininkai, pernešantys srovę. 1820 metais G. Oerstedas (1777–1851) atrado, kad srovės laidininkas veikia magnetinę adatą, ją pasukdamas. Vos po savaitės Ampere parodė tuos du lygiagrečiai laidininkai su srove ta pačia kryptimi traukia vienas kitą. Vėliau jis pasiūlė, kad visus magnetinius reiškinius sukelia srovės ir magnetinės savybės nuolatiniai magnetai susiję su srovėmis, nuolat cirkuliuojančiomis šių magnetų viduje. Ši prielaida visiškai atitinka šiuolaikines idėjas. Nuolatinių srovių magnetinis laukas įvairių formų tyrinėjo prancūzų mokslininkai J. Biot (1774 - 1862) ir F. Savardas (1791 - 1841). Šių eksperimentų rezultatus apibendrino išskirtiniai prancūzų matematikas ir fizikas P. Laplasas. Biot-Savart-Laplace dėsnis kartu su superpozicijos principu leidžia apskaičiuoti bet kokių srovę nešančių laidininkų sukuriamus magnetinius laukus.
Srauto modelių studijavimas magnetiniai reiškiniai leis apibendrinti įgytas žinias ir sėkmingai jas panaudoti tiek laboratorinėmis sąlygomis, ir gamyboje.
Tiesiojo laidininko, nešančio srovę, magnetinis laukas
Laidininkas, kuriuo teka elektros srovė, sukuria magnetinį lauką. Magnetiniam laukui būdingas intensyvumo vektorius „H(1 pav.), kurią galima apskaičiuoti naudojant formulę
„H= òd „H.
Pagal Biot-Savart-Laplace dėsnį,
Kur aš- srovės stipris laidininke, d`l- vektorius, kurio ilgis yra elementarus laidininko segmentas ir nukreiptas srovės kryptimi, `r– spindulio vektorius, jungiantis elementą su atitinkamu tašku P.
Panagrinėkime magnetinį lauką, kurį sukuria tiesus laidininkas, kurio srovė baigtinio ilgio (2 pav.). Atskiros elementarios šio laidininko sekcijos sukuria laukus d „H, nukreiptas viena kryptimi (statmenai brėžinio plokštumai), todėl magnetinio lauko stiprumą taške P galima rasti integruojant:
Turime l= r o ×сtga, todėl Be to, Todėl
Po integracijos gauname
, (1)
Kur r o - trumpiausias atstumas nuo taško P prie srovės laidininko a 1 ir a 2 yra kampai tarp kraštinių laidininko elementų ir atitinkamų spindulio vektorių PA ir PB.
Jei nustatysime įtampą taškuose, esančiuose ant statmeno, atkurto į laidininko vidurį, tada cosa 2 = cos(180° – a 1) = –cosa 1, taigi,
(cosa 1 – coza 2) = 2cosa 1 = . (2)
Atsižvelgiant į (2) išraišką, formulę (1) galima parašyti formoje
. (3)
Atsižvelgiant į tai, kad šis darbas laidininko ilgis 2 b daug didesnis atstumas r 0 nuo laidininko iki magnetinio lauko stebėjimo taško, formulę (3) galima parašyti kaip
Todėl magnetinio lauko indukcija apskaičiuojama pagal formulę:
Kur m 0 – magnetinė konstanta, m– terpės magnetinis pralaidumas (orui m= 1)
Jei priartinsite magnetinę adatą, ji taps statmena plokštumai, einančiai per laidininko ašį ir adatos sukimosi centrą. Tai rodo, kad strėlę veikia specialiosios pajėgos, kurios vadinamos magnetinės jėgos. Be poveikio magnetinei adatai, magnetinis laukas veikia judančias įkrautas daleles ir srovę nešančius laidininkus, esančius magnetiniame lauke. Magnetiniame lauke judančiuose laiduose arba kintamajame magnetiniame lauke esančiuose stacionariuose laiduose atsiranda indukcinė elektrovaros jėga (emf).
Magnetinis laukas
Remdamiesi tuo, kas išdėstyta aukščiau, galime pateikti tokį magnetinio lauko apibrėžimą.
Magnetinis laukas yra viena iš dviejų elektromagnetinio lauko pusių, sužadinama judančių dalelių elektros krūvių ir elektrinio lauko pokyčių ir pasižyminti jėgos poveikiu judančioms užkrėstoms dalelėms, taigi ir elektros srovėms.
Jei per kartoną praleidžiate storą laidininką ir per jį praleidžiate elektros srovę, ant kartono supiltos plieninės drožlės bus aplink laidininką koncentriniais apskritimais, kurie šiuo atveju yra vadinamosios magnetinės indukcijos linijos (1 pav.). . Kartoną galime perkelti laidininku aukštyn arba žemyn, tačiau plieninių drožlių vieta nepasikeis. Vadinasi, aplink laidininką per visą jo ilgį susidaro magnetinis laukas.
Jei ant kartono uždėsite mažas magnetines rodykles, tai pakeitus srovės kryptį laidininke, pamatysite, kad magnetinės rodyklės suksis (2 pav.). Tai rodo, kad magnetinės indukcijos linijų kryptis keičiasi atsižvelgiant į srovės kryptį laidininke.
Magnetinės indukcijos linijos aplink srovę nešantį laidininką turi šias savybes: 1) tiesiojo laidininko magnetinės indukcijos linijos yra koncentrinių apskritimų formos; 2) kuo arčiau laidininko, tuo tankesnės yra magnetinės indukcijos linijos; 3) magnetinė indukcija (lauko intensyvumas) priklauso nuo srovės stiprumo laidininke; 4) magnetinės indukcijos linijų kryptis priklauso nuo srovės krypties laidininke.
Norėdami parodyti srovės kryptį skyriuje parodytame laidininke, buvo priimtas simbolis, kurį naudosime ateityje. Jei mintyse pastatysite strėlę į laidininką srovės kryptimi (3 pav.), tada laidininke, kuriame srovė nukreipta nuo mūsų, pamatysime strėlės plunksnų uodegą (kryželį); jei srovė nukreipta į mus, pamatysime rodyklės (taško) galiuką.
3 pav. Simbolis srovės kryptis laidininkuose
Gimleto taisyklė leidžia nustatyti magnetinės indukcijos linijų kryptį aplink srovę nešantį laidininką. Jei kamščiatraukis su dešiniuoju sriegiu juda į priekį srovės kryptimi, tada rankenos sukimosi kryptis sutaps su magnetinės indukcijos linijų aplink laidininką kryptimi (4 pav.).
Magnetinė adata, įvesta į srovės laidininko magnetinį lauką, yra išilgai magnetinės indukcijos linijų. Todėl, norėdami nustatyti jo vietą, taip pat galite naudoti „įvarčio taisyklę“ (5 pav.). Magnetinis laukas yra vienas iš svarbiausių elektros srovės apraiškų ir negali būti gaunamas atskirai ir atskirai nuo srovės.
  |  |
| 4 pav. Magnetinės indukcijos linijų aplink srovę nešantį laidininką krypties nustatymas, naudojant „įtvaros taisyklę“ | 5 pav. Magnetinės adatos, nukreiptos į laidininką su srove, nukrypimo krypties nustatymas pagal „įtvaros taisyklę“ |
Magnetinė indukcija
Magnetiniam laukui būdingas magnetinės indukcijos vektorius, todėl jis turi tam tikrą dydį ir tam tikrą kryptį erdvėje.
Biot ir Savart nustatė kiekybinę magnetinės indukcijos išraišką, gautą apibendrinant eksperimentinius duomenis (6 pav.). Matuodami įvairaus dydžio ir formos elektros srovių magnetinius laukus pagal magnetinės adatos nukreipimą, abu mokslininkai padarė išvadą, kad kiekvienas srovės elementas tam tikru atstumu nuo savęs sukuria magnetinį lauką, kurio magnetinė indukcija yra Δ B yra tiesiogiai proporcinga ilgiui Δ lšis elementas – tekančios srovės dydis aš, sinusas kampo α tarp srovės krypties ir spindulio vektoriaus, jungiančio mus dominantį lauko tašką su tam tikru srovės elementu, ir yra atvirkščiai proporcingas šio spindulio vektoriaus ilgio kvadratui. r:
Kur K– koeficientas, priklausantis nuo terpės magnetinių savybių ir nuo pasirinktos vienetų sistemos.
Absoliučioje praktinėje racionalizuotoje ICSA vienetų sistemoje
kur µ 0 – magnetinis vakuumo pralaidumas arba magnetinė konstanta MCSA sistemoje:
µ 0 = 4 × π × 10 -7 (henris/metras);
Henris (gn) – induktyvumo vienetas; 1 gn = 1 ohm × sek.
µ – santykinis magnetinis pralaidumas– bematis koeficientas, rodantis, kiek kartų tam tikros medžiagos magnetinė skvarba yra didesnė už vakuumo magnetinę laidumą.
Magnetinės indukcijos matmenis galima rasti naudojant formulę
Taip pat vadinama voltų sekundė Weberis (wb):
Praktiškai yra mažesnis magnetinės indukcijos vienetas - gauss (gs):
Biot-Savarto dėsnis leidžia apskaičiuoti begalinio ilgio tiesiojo laidininko magnetinę indukciją:
Kur A– atstumas nuo laidininko iki taško, kuriame nustatoma magnetinė indukcija.
Magnetinio lauko stiprumas
Magnetinės indukcijos santykis su magnetinio pralaidumo sandauga µ × µ 0 vadinamas magnetinio lauko stiprumas ir yra pažymėtas raide H:
B = H × µ × µ 0 .
Paskutinė lygtis jungia du magnetinius dydžius: indukciją ir magnetinio lauko stiprumą.
Raskime dimensiją H:
Kartais naudojamas kitas magnetinio lauko stiprumo matavimo vienetas - Oersted (er):
1 er = 79,6 A/m ≈ 80 A/m ≈ 0,8 A/cm .
Magnetinio lauko stiprumas H, kaip magnetinė indukcija B, yra vektorinis dydis.
Vadinama tiesės liestinė, kurios kiekvienas taškas sutampa su magnetinės indukcijos vektoriaus kryptimi magnetinės indukcijos linija arba magnetinės indukcijos linija.
Magnetinis srautas
Magnetinės indukcijos ir lauko krypčiai statmeno ploto (magnetinės indukcijos vektoriaus) sandauga vadinama magnetinės indukcijos vektoriaus srautas arba tiesiog magnetinis srautas ir žymimas raide F:
F = B × S .
Magnetinio srauto matmenys:
tai yra, magnetinis srautas matuojamas voltų sekundėmis arba weberiais.
Mažasis magnetinio srauto vienetas yra Maksvelas (mks):
1 wb = 108 mks.
1mks = 1 gs× 1 cm 2.
Vaizdo įrašas 1. Ampero hipotezė
Vaizdo įrašas 1. Ampero hipotezė
Video 2. Magnetizmas ir elektromagnetizmas
Elektros srovė laidininke sukuria magnetinį lauką aplink laidininką. Elektros srovė ir magnetinis laukas yra dvi neatskiriamos vienybės dalys fizinis procesas. Nuolatinių magnetų magnetinį lauką galiausiai sukuria molekulinės elektros srovės, susidarančios elektronams judant orbitose ir sukantis aplink savo ašis.
Magnetine adata galima nustatyti laidininko magnetinį lauką ir jo jėgos linijų kryptį. Magnetinės linijos tiesus laidininkas turi koncentrinių apskritimų, esančių plokštumoje, statmenoje laidininkui, formą. Magnetinio lauko linijų kryptis priklauso nuo srovės krypties laidininke. Jei srovė laidininke ateina iš stebėtojo, tada jėgos linijos nukreiptos pagal laikrodžio rodyklę.
Lauko krypties priklausomybę nuo srovės krypties lemia stulpelio taisyklė: kai antgalio transliacinis judėjimas sutampa su srovės kryptimi laidininke, rankenos sukimosi kryptis sutampa su kryptimi. magnetinių linijų.
Ritinio magnetinio lauko krypčiai nustatyti taip pat galima naudoti stulpelio taisyklę, tačiau tokia formuluotė: jei antgalio rankenos sukimosi kryptis derinama su srovės kryptimi ritės posūkiuose, tada judėjimas į priekį Antgalis parodys lauko linijų kryptį ritės viduje (4.4 pav.).
Šios linijos kyla iš ritės viduje pietų ašigalįį šiaurę, o už jos ribų – iš šiaurės į pietus.
Gimleto taisyklė taip pat gali būti naudojama srovės krypčiai nustatyti, jei žinoma magnetinio lauko linijų kryptis.
Srovę nešantis laidininkas magnetiniame lauke patiria jėgą, lygią
F = I·L·B·sin
I yra srovės stiprumas laidininke; B - magnetinio lauko indukcijos vektoriaus modulis; L – laidininko, esančio magnetiniame lauke, ilgis; – kampas tarp magnetinio lauko vektoriaus ir srovės krypties laidininke.
Jėga, veikianti srovę nešantį laidininką magnetiniame lauke, vadinama Ampero jėga.
Maksimalus stiprumas Amperas yra lygus:
F = I L B
Ampero jėgos kryptis nustatoma pagal kairės rankos taisyklę: jei kaire ranka išdėstyti taip, kad statmenas magnetinės indukcijos vektoriaus B komponentas patektų į delną, o keturi ištiesti pirštai būtų nukreipti srovės kryptimi, tada sulenkti 90 laipsnių nykščiu parodys jėgos, veikiančios srovę tekančią laidininko dalį, tai yra Ampero jėgą, kryptį.
Jei ir guli toje pačioje plokštumoje, tada kampas tarp ir yra tiesus, todėl . Tada srovės elementą veikianti jėga yra
(žinoma, iš pirmojo laidininko pusės lygiai tokia pati jėga veikia ir antrąjį).
Gauta jėga yra lygi vienai iš šių jėgų. Jei šie du laidininkai turi įtakos trečiajam, tada jų magnetiniai laukai turi būti pridėti vektoriškai.
Grandinė su srove magnetiniame lauke
| Ryžiai. 4.13 |
Tegul rėmas su srove dedamas į vienodą magnetinį lauką (4.13 pav.). Tada veikia Ampero jėgos pusės rėmai sukurs sukimo momentą, kurio dydis proporcingas magnetinei indukcijai, srovės stiprumui rėme, jo plotui S ir priklauso nuo kampo a tarp vektoriaus ir srities normalės:
Įprasta kryptis parenkama taip, kad dešinysis varžtas judėtų įprasta kryptimi, kai sukasi rėmelyje srovės kryptimi.
Didžiausia vertė sukimo momentas turi, kai rėmas sumontuotas statmenai magnetiniam elektros linijos:
Ši išraiška taip pat gali būti naudojama magnetinio lauko indukcijai nustatyti:
dydis, lygus produktui, vadinamas grandinės magnetiniu momentu R t. Magnetinis momentas yra vektorius, kurio kryptis sutampa su normalios kontūro kryptimi. Tada galima užrašyti sukimo momentą
Esant kampui a = 0 sukimo momentas lygus nuliui. Sukimo momento vertė priklauso nuo kontūro ploto, bet nepriklauso nuo jo formos. Todėl bet kuri uždara grandinė, kuria teka nuolatinė srovė, yra veikiama sukimo momento M, kuris pasukamas taip, kad vektorius magnetinis momentas nustatyta lygiagrečiai magnetinio lauko indukcijos vektoriui.
