Galite parodyti, kaip naudoti Ampero dėsnį, nustatydami magnetinį lauką šalia laido. Užduokime klausimą: koks laukas yra už ilgos tiesios cilindrinio skerspjūvio vielos? Darysime vieną prielaidą, galbūt ne tokią akivaizdžią, bet vis dėlto teisingą: lauko linijos B eina aplink laidą ratu. Jei darysime tokią prielaidą, Ampero dėsnis [lygtis (13.16)] mums nurodo, koks yra lauko dydis. Dėl uždavinio simetrijos B laukas turi tokio pat dydžio visuose apskritimo taškuose koncentriškai su viela (13.7 pav.). Tada galime lengvai paimti B·ds tiesinį integralą. Tai tiesiog lygi B vertei, padaugintai iš apskritimo. Jei apskritimo spindulys yra r, Tai
Bendra srovė per kilpą yra tiesiog srovė / laidas, taigi
Įtampa magnetinis laukas patenka atvirkščiai proporcingai r, atstumas nuo vielos ašies. Jei norite, (13.17) lygtis gali būti įrašyta vektorinė forma. Prisimindami, kad B yra nukreiptas statmenai I ir r, turime
Mes paryškinome koeficientą 1/4πε 0 su 2, nes jis pasirodo dažnai. Verta prisiminti, kad tai yra lygiai 10 - 7 (SI vienetais), nes naudojama (13.17) formos lygtis. apibrėžimai srovės vienetai, amperai. 1 atstumu m 1 A srovė sukuria magnetinį lauką, lygų 2·10 - 7 weber/m2.
Kadangi srovė sukuria magnetinį lauką, ji veiks tam tikra jėga gretimą laidą, per kurį taip pat praeina srovė. Sk. 1 aprašėme paprastą eksperimentą, rodantį jėgas tarp dviejų laidų, kuriais teka srovė. Jei laidai lygiagretūs, tai kiekvienas iš jų yra statmenas kito laido B laukui; tada laidai atstums arba pritrauks vienas kitą. Kai srovė teka viena kryptimi, laidai traukia, kai srovės teka priešingomis kryptimis, jie atstumia.
Paimkime kitą pavyzdį, kuris taip pat gali būti analizuojamas naudojant Ampero dėsnį, jei taip pat pridėsime šiek tiek informacijos apie lauko prigimtį. Tegul yra ilga viela, susukta į sandarią spiralę, kurios skerspjūvis parodytas fig. 13.8. Ši spiralė vadinama solenoidas. Eksperimentiškai stebime, kad kai solenoido ilgis yra labai didelis, palyginti su skersmeniu, laukas už jo yra labai mažas, palyginti su lauku viduje. Naudojant tik šį faktą ir Ampero dėsnį, galima rasti viduje esančio lauko dydį.
Nuo lauko lieka viduje (ir neturi nulinio skirtumo), jo linijos turi eiti lygiagrečiai ašiai, kaip parodyta Fig. 13.8. Jei taip yra, stačiakampei „kreivei“ G paveiksle galime naudoti Ampero dėsnį. Ši kreivė nukeliauja atstumą L
solenoido viduje, kur laukas, tarkime, lygus B o, tada eina stačiu kampu į lauką ir grįžta atgal palei išorinę sritį, kur laukas gali būti nepaisomas. B linijos integralas išilgai šios kreivės yra tiksliai Esant 0 l, ir tai turi būti lygus 1/ε 0 c 2 kartus didesnei nei visos srovės viduje G, t.y. NI(kur N yra solenoido apsisukimų skaičius per ilgį L).
Turime
Arba įeinant n- apsisukimų skaičius vienam ilgio vienetui solenoidas (taip n=
N/L),
gauname
Kas atsitinka su B linijomis, kai jos pasiekia solenoido galą? Matyt, jie kažkaip išsiskiria ir iš kito galo grįžta į solenoidą (13.9 pav.). Lygiai toks pat laukas stebimas magnetinio strypo išorėje. Na kas tai yra magnetas? Mūsų lygtys sako, kad laukas B atsiranda dėl srovių buvimo. Ir mes žinome, kad įprasti geležiniai strypai (ne baterijos ar generatoriai) taip pat sukuria magnetinius laukus. Galite tikėtis, kad dešinėje (13.12) arba (16.13) pusėje bus kitų terminų, nurodančių „įmagnetintos geležies tankį“ arba kokį nors panašų dydį. Bet tokio nario nėra. Mūsų teorija teigia, kad geležies magnetinis poveikis atsiranda dėl kai kurių vidinių srovių, į kurias jau atsižvelgiama j terminu.
Materija yra labai sudėtinga, kai žiūrima iš gilaus požiūrio taško; Tuo jau buvome įsitikinę, kai bandėme suprasti dielektrikus. Kad mūsų pristatymas nenutrūktų, detalų magnetinių medžiagų, tokių kaip geležis, mechanizmo aptarimą atidėsime. Kol kas turėsime sutikti, kad bet koks magnetizmas atsiranda dėl srovių ir kad nuolatiniame magnete yra nuolatinės vidinės srovės. Geležies atveju šias sroves sukuria aplink skriejantys elektronai savo kirvius. Kiekvienas elektronas turi sukimąsi, atitinkantį mažą cirkuliuojančią srovę. Žinoma, vienas elektronas nesukuria didelio magnetinio lauko, tačiau įprastoje materijos dalyje yra milijardai ir milijardai elektronų. Paprastai jie sukasi bet kokiu būdu, kad bendras efektas išnyktų. Stebina tai, kad kai kuriose medžiagose, pavyzdžiui, geležyje, dauguma elektronai sukasi aplink ašis, nukreiptas viena kryptimi – geležyje šiame bendrame judėjime dalyvauja po du elektronus iš kiekvieno atomo. Magnete yra daug elektronų, besisukančių ta pačia kryptimi, ir, kaip matysime, jų bendras poveikis yra lygiavertis srovei, cirkuliuojančiai magneto paviršiuje. (Tai labai panašu į tai, ką radome dielektrikuose – tolygiai poliarizuotas dielektrikas prilygsta krūvių pasiskirstymui jo paviršiuje.) Todėl neatsitiktinai strypinis magnetas yra lygiavertis solenoidui.
Elektros srovė, tekanti laidininku, aplink šį laidininką sukuria magnetinį lauką (7.1 pav.). Susidariusio magnetinio lauko kryptis nustatoma pagal srovės kryptį.
Krypties žymėjimo metodas elektros srovė laidininke parodyta fig. 7.2: taškas pav. 7.2(a) galima įsivaizduoti kaip rodyklės galiuką, nurodantį srovės kryptį į stebėtoją, o kryžių – kaip rodyklės galą, rodantį srovės kryptį nuo stebėtojo.
Magnetinis laukas, susidarantis aplink srovę nešantį laidininką, parodytas Fig. 7.3. Šio lauko kryptį nesunku nustatyti naudojant dešiniojo varžto taisyklę (arba sraigto taisyklę): jei antgalio galas sulygiuotas su srovės kryptimi, tada įsukus sukimosi kryptį. rankenos kryptis sutaps su magnetinio lauko kryptimi.
Ryžiai. 7.1. Magnetinis laukas aplink laidininką, tekančią srovę.
Ryžiai. 7.2. Srovės krypties žymėjimas (a) į stebėtoją ir (b) nukreiptas nuo stebėtojo.
Dviejų lygiagrečių laidininkų sukurtas laukas
1. Srovių kryptys laidininkuose sutampa. Fig. 7.4(a) rodo du lygiagrečiai laidininkai, esančios tam tikru atstumu vienas nuo kito, o kiekvieno laidininko magnetinis laukas pavaizduotas atskirai. Tarpe tarp laidininkų jų sukuriami magnetiniai laukai yra priešingos krypties ir panaikina vienas kitą. Gautas magnetinis laukas parodytas fig. 7.4(b). Jei abiejų srovių kryptį pakeisite į priešingą, tai ir susidarančio magnetinio lauko kryptis pasikeis į priešingą (7.4 pav. (b)).
Ryžiai. 7.4. Du laidininkai, kurių srovės kryptys vienodos (a) ir jų sukuriamas magnetinis laukas (6, c).
2. Srovių kryptys laidininkuose yra priešingos. Fig. 7.5(a) paveiksle pavaizduoti kiekvieno laidininko magnetiniai laukai atskirai. Šiuo atveju tarpe tarp laidininkų jų laukai sumuojami ir čia gaunamas laukas (7.5 pav. (b)) yra didžiausias.
Ryžiai. 7.5. Du laidininkai su priešingomis kryptimis srovės (a) ir jų sukuriamas magnetinis laukas (b).
Ryžiai. 7.6. Solenoido magnetinis laukas.
Solenoidas yra cilindrinė ritė, susidedanti iš didelis skaičius vielos posūkiai (7.6 pav.). Kai srovė teka per solenoido posūkius, solenoidas elgiasi kaip juostinis magnetas su šiauriniu ir pietų ašigaliai. Jo sukuriamas magnetinis laukas nesiskiria nuo nulio nuolatinis magnetas. Magnetinį lauką solenoido viduje galima sustiprinti apvyniojus ritę aplink magnetinę šerdį, pagamintą iš plieno, geležies ar kt. magnetinė medžiaga. Solenoido magnetinio lauko stiprumas (dydis) taip pat priklauso nuo perduodamos elektros srovės stiprumo ir apsisukimų skaičiaus.
Elektromagnetas
Solenoidas gali būti naudojamas kaip elektromagnetas, o šerdis yra pagaminta iš minkštos magnetinės medžiagos, pavyzdžiui, kaliojo ketaus. Solenoidas elgiasi kaip magnetas tik tada, kai elektros srovė teka per ritę. Elektromagnetai naudojami elektriniuose varpeliuose ir relėse.
Laidininkas magnetiniame lauke
Fig. 7.7 paveiksle pavaizduotas srovės laidininkas, įdėtas į magnetinį lauką. Matyti, kad šio laidininko magnetinis laukas pridedamas prie nuolatinio magneto magnetinio lauko virš laidininko ir atimamas srityje po laidininku. Taigi stipresnis magnetinis laukas yra virš laidininko, o silpnesnis žemiau (7.8 pav.).
Jei pakeisite srovės kryptį laidininke, magnetinio lauko forma išliks tokia pati, tačiau po laidininku jo dydis bus didesnis.
Magnetinis laukas, srovė ir judėjimas
Jei srovės laidininkas yra patalpintas į magnetinį lauką, jį veiks jėga, kuri bando perkelti laidininką iš didesnio ploto. stiprus laukasį silpnesnę sritį, kaip parodyta Fig. 7.8. Šios jėgos kryptis priklauso nuo srovės krypties, taip pat nuo magnetinio lauko krypties.
Ryžiai. 7.7. Laidininkas, nešantis srovę magnetiniame lauke.
Ryžiai. 7.8. Rezultatų laukas
Jėgos, veikiančios srovę nešantį laidininką, dydį lemia ir magnetinio lauko dydis, ir šiuo laidininku tekančios strėlės jėga.
Laidininko, esančio magnetiniame lauke, judėjimas, kai per jį teka srovė, vadinamas variklio principu. Šiuo principu veikia elektros varikliai, magnetoelektriniai matavimo prietaisai su judančia ritė ir kiti prietaisai. Jei laidininkas judinamas magnetiniame lauke, jame susidaro srovė. Šis reiškinys vadinamas generatoriaus principu. Šiuo principu paremtas pastovių ir pastovių generatorių darbas. AC.
Iki šiol mes svarstėme magnetinį lauką, susijusį tik su nuolatine elektros srove. Šiuo atveju magnetinio lauko kryptis nesikeičia ir yra nustatoma pagal nuolatinio doko kryptį. Kai teka kintamoji srovė, susidaro kintamasis magnetinis laukas. Jei į šį kintamąjį lauką įdėta atskira ritė, tada joje bus sukelta (indukuota) emf (įtampa). Arba jei dvi atskiros ritės yra arti viena kitos, kaip parodyta Fig. 7.9. ir pritaikykite kintamąją įtampą vienai apvijai (W1), tada tarp antrosios apvijos (W2) gnybtų atsiras nauja kintamoji įtampa (indukuota EMF). Tai yra transformatoriaus veikimo principas.
Ryžiai. 7.9. Sukeltas emf.
Šiame vaizdo įraše paaiškinamos magnetizmo ir elektromagnetizmo sąvokos:
Srovę nešančio laidininko magnetinis laukas. Srovei tekant tiesiu laidininku, aplink jį atsiranda magnetinis laukas (38 pav.). Magnetinis elektros linijosŠis laukas yra koncentriniais apskritimais, kurių centre yra srovės laidininkas.
Magnetinio lauko aplink srovę nešantį laidininką kryptis visada griežtai atitinka srovės, einančios per laidininką, kryptį. Magnetinio lauko linijų kryptį galima nustatyti naudojant gimlet taisyklę. Jis suformuluotas taip. Jeigu judėjimas į priekį sulygiuokite 1 antgalį (39 pav., a) su srovės 2 kryptimi 3 laidininke, tada jo rankenos sukimas parodys magnetinio lauko linijų 4 aplink laidininką kryptį. Pavyzdžiui, jei srovė praeina per laidininką kryptimi, esančia nuo mūsų už knygos lapo plokštumos (39 pav., b), tai magnetinis laukas, atsirandantis aplink šį laidininką, nukreipiamas pagal laikrodžio rodyklę. Jei srovė per laidininką eina kryptimi nuo knygos lapo plokštumos link mūsų, tada magnetinis laukas aplink laidininką nukreipiamas prieš laikrodžio rodyklę. Kuo didesnė srovė praeina per laidininką, tuo stipresnis aplink jį atsirandantis magnetinis laukas. Keičiantis srovės krypčiai, keičiasi ir magnetinis laukas.
Tolstant nuo laidininko, magnetinio lauko linijos yra retesnės. Dėl to mažėja magnetinio lauko indukcija ir jos stiprumas. Magnetinio lauko stipris erdvėje aplink laidininką yra
H = I/(2?r) (44)
Didžiausia įtampa Hmax atsiranda esant išorinis paviršius laidininkas 1 (40 pav.). Dirigento viduje taip pat
atsiranda magnetinis laukas, bet jo intensyvumas tiesiškai mažėja kryptimi nuo išorinio paviršiaus link ašies (2 kreivė). Lauko aplink laidininką ir jo viduje magnetinė indukcija kinta taip pat, kaip ir įtampa.
Magnetinių laukų stiprinimo būdai. Norint gauti stiprius magnetinius laukus esant mažoms srovėms, jie paprastai padidina srovės laidininkų skaičių ir daro juos posūkių serijos pavidalu; toks įtaisas vadinamas apvija arba ritė.
Kai laidininkas sulenktas ritės pavidalu (41 pav., a), visų šio laidininko sekcijų suformuoti magnetiniai laukai ritės viduje bus vienodos krypties. Todėl magnetinio lauko intensyvumas ritės viduje bus didesnis nei aplink jį tiesus laidininkas. Sujungus posūkius į ritę, atskirų posūkių sukurti magnetiniai laukai sumuojasi (41 pav., b) ir jų jėgos linijos sujungiamos į bendrą magnetinį srautą. Tokiu atveju ritės viduje didėja lauko linijų koncentracija, t.y., stiprėja jos viduje esantis magnetinis laukas. Kuo didesnė srovė teka per ritę ir kuo daugiau joje yra posūkių, tuo stipresnis ritės sukuriamas magnetinis laukas. Magnetinis laukas už ritės taip pat susideda iš atskirų posūkių magnetinių laukų, tačiau magnetinio lauko linijos nėra taip tankiai išsidėsčiusios, dėl to magnetinio lauko intensyvumas ten nėra toks didelis kaip ritės viduje. Ritės, tekančios aplink srovę, magnetinis laukas turi tokią pačią formą kaip ir tiesinio nuolatinio magneto laukas (žr. 35 pav., a): galia. magnetinės linijos išeiti iš vieno ritės galo ir įeiti į kitą jo galą. Todėl aplink srovę tekanti ritė yra dirbtinė elektrinis magnetas. Paprastai į ritės vidų įkišama plieninė šerdis, siekiant sustiprinti magnetinį lauką; toks prietaisas vadinamas elektromagnetu.
Elektromagnetai buvo itin plačiai pritaikyti technologijose. Jie sukuria magnetinį lauką, reikalingą elektros mašinų veikimui, taip pat reikalingas elektrodinamines jėgas. Skirtas įvairių elektros matavimo prietaisų ir elektros prietaisų veikimui.
Elektromagnetai gali turėti atvirą arba uždarą magnetinę grandinę (42 pav.). Elektromagneto ritės galo poliškumą galima nustatyti, kaip ir nuolatinio magneto poliškumą, naudojant magnetinę adatą. KAM šiaurės ašigalį jis pasisuka pietiniame gale. Norėdami nustatyti posūkio ar ritės sukuriamo magnetinio lauko kryptį, taip pat galite naudoti gimlet taisyklę. Jei sujungsite rankenos sukimosi kryptį su srovės kryptimi ritėje ar ritėje, tada antgalio judėjimas į priekį parodys magnetinio lauko kryptį. Elektromagneto poliškumą taip pat galima nustatyti naudojant dešine ranka. Norėdami tai padaryti, turite uždėti ranką ant ritės (43 pav.) ir sulenkti keturis pirštus pagal srovės kryptį joje. nykščiu parodys magnetinio lauko kryptį.
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
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 elektrinio lauko pokytį ir pasižymi jėgos poveikiu judančioms užkrėstoms 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 (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 dėsite mažus magnetinės adatos, tada pakeitus srovės kryptį laidininke, pamatysite, kad magnetinės adatėlės suksis (2 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) 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 „srovės 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.). Elektros srovių magnetinių laukų matavimas pagal magnetinės adatos nuokrypį įvairių dydžių ir formą, 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 priklausomai nuo magnetines savybes aplinką ir pasirinktą vienetų sistemą.
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 ir produkto santykis magnetiniai laidumai vadinamas µ × µ 0 magnetinio lauko stiprumas ir yra pažymėtas raide H:
B = H × µ × µ 0 .
Paskutinė lygtis sieja dvi magnetiniai dydžiai: indukcijos ir magnetinio lauko stiprumas.
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 ploto dydžio sandauga, statmenai krypčiai laukas (magnetinės indukcijos vektorius) vadinamas magnetinės indukcijos vektoriaus srautas arba tiesiog magnetinis srautas ir žymimas raide F:
F = B × S .
Matmenys magnetinis srautas:
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
