Реферат: Магнитное поле 3

Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами. Причиной возникновения сил магнитного взаимодействия является магнитное поле, которое создается движущимися зарядами и постоянными магнитами.

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется

взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом. Магнитное поле является формой электромагнитного поля, оно непрерывно в пространстве, порождается движущимися зарядами и обнаруживается по действию на движущиеся заряды.

Термин «магнитное поле» в 1 845г. ввел Фарадей. Экспериментальным доказательством реальности магнитного, так же как и электрического поля, является факт существования электромагнитных волн.

Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной. Эту величину принято обозначать буквой В. Логично было бы по аналогии с напряженностью электрического поля Е назвать В напряженностью магнитного поля. Однако по историческим причинам основную силовую характеристику магнитного поля назвали магнитной индукцией. Название же «напряженность магнитного поля» оказалось присвоенным вспомогательной величине Н, аналогичной вспомогательной характеристике О электрического поля. Вектор магнитной индукции В является основной характеристикой магнитного поля. Рассмотрим один из способов определения направления вектора В в различных точках магнитного поля. Условились считать, что вектор магнитной индукции В в произвольной точке поля совпадает по направлению с силой, которая действует на северный полюс бесконечно малой магнитной стрелки, помещенной в эту точку поля. Бесконечно малая магнитная стрелка не может своим присутствием искажать то поле, в которое она вносится. Сила, действующая со стороны магнитного поля на южный полюс стрелки, направлена в сторону, противоположную вектору В. Оба полюса такой магнитной стрелки лежат в бесконечно близких точках поля, так что силы, действующие на оба полюса, численно равны друг другу. Следовательно, в магнитном поле на магнитную стрелку действует пара сил, поворачивающая ее таким образом, чтобы ось стрелки, соединяющая южный полюс с северным, совпадала с направлением поля, т.е. с направлением вектора В.

Подобно тому, как электрические поля графически изображаются с помощью электрических силовых линий, магнитные поля изображаются с помощью линий магнитной индукции (или магнитных силовых линий). Линии магнитной индукции - это линии, касательные к которым в данной точке совпадают по направлению с вектором В в этой точке. Линии магнитной индукции можно сделать «видимыми» с помощью железных опилок. Если на стеклянную пластинку, через которую пропущен прямой проводник с током, насыпать железных опилок и слегка постучать по пластинке, то железные опилки расположатся вдоль силовых линий (рис.7).

Из опытов следует, что линии магнитной индукции прямого

проводника с током представляют концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной току. Центр этих окружностей находится на оси проводника. С помощью железных опилок можно получить изображение линий магнитной индукции проводников с током любой формы. Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с токами. Для сравнения магнитного поля с электростатическим полезно напомнить, что силовые линии электростатического поля разомкнуты. Они начинаются на положительны;, зарядах, оканчиваются на отрицательных и вблизи от заряженного проводника направлены перпендикулярно к его поверхности.

Направление линий магнитной индукции связано с направлением тока в проводнике. Направление силовых линий магнитного поля, создаваемого проводником с током, определяется по правилу буравчика (рис.7): если правовинтовой буравчик ввинчивать по направлению тока в проводнике, то направление движения его рукоятки укажет направление линий магнитной индукции. Из рис.8 видно, что магнитное поле вне соленоида, т. е. длинной катушки с током, подобно магнитному полю полосового магнита. Северный полюс магнита (рис.8,а) совпадает с тем концом соленоида, из которого ток в витках виден идущим против часовой стрелки (рис.8,6). Магнитное

поле кругового тока (рис.9), представляющего собой один виток соленоида, подобно полю очень короткого полосового магнита, расположенного в центре витка так, чтобы его ось была перпендикулярна к плоскости витка. Такой

полосовой магнитик естественно назвать магнитным диполем.

Из рис.8,а видно, что линии магнитной индукции постоянного магнита выходят из его северного полюса и входят в южный. На первый взгляд кажется, что здесь имеется полная аналогия с силовыми линиями электростатического поля, причем полюса магнита играют роль магнитных «зарядов» (магнитных масс), создающих магнитное поле. Если бы магнитные заряды существовали в природе, то их можно было бы разделить подобно электрическим, т.е. получить постоянный магнит только с одним полюсом. Однако если разделить магнит на две половины, то каждая часть снова будет иметь два полюса. Процесс деления можно продолжать сколько угодно, и каждый полученный маленький кусочек магнита будет представлять собой магнит с двумя полюсами. Следовательно, в отличие от электрических зарядов, свободные магнитные «заряды» в природе не существуют. Нет их и в полюсах постоянных магнитов. Поэтому полюсы постоянного магнита не могут являться особыми точками его магнитного поля, а линии магнитной индукции не могут обрываться на полюсах. Исследования показали, что внутри полосовых магнитов имеется магнитное поле, подобное полю внутри соленоида. Линии магнитной индукции этого поля являются продолжением линий индукции вне полосового магнита. Этим было доказано, что линии магнитной индукции поля постоянных магнитов тоже замкнуты.

Полная аналогия между магнитными полями полосовых магнитов и соленоидов позволила Амперу высказать гипотезу о том, что магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены существующими в них микротоками. О природе и характере этих микротоков Ампер ничего не мог сказать, так как в то время учение о строении вещества находилось еще в начальной стадии. Лишь после открытия электрона и выяснения строения атомов и молекул, т. е. спустя почти 100 лет, гипотеза Ампера была блестяще подтверждена и легла в основу современных представлений о магнитных свойствах вещества. Гипотетические микротоки Ампера получили простое и наглядное истолкование. Известно, что в атомах всех тел имеются электроны, которые движутся по замкнутым орбитам. Быстро движущийся по замкнутой орбите электрон, подобно витку с током, создает магнитное поле. Если в каком- либо теле элементарные токи, обусловленные движением электронов, расположены так, что их магнитные поля взаимно усиливают друг друга (как у катушки с током, имеющей много витков), то результирующее магнитное поле тела может быть значительным и это тело является магнитом.

Мы говорили о том, что проводники с током создают вокруг себя магнитное поле и действуют на находящиеся около них постоянные магниты. В свою очередь магнитное поле действует на проводники с током. Для доказательства этого, проделаем следующий

опыт. Два параллельных металлических стержня 1 и 2 поместим между полюсами магнита (рис.10). Легкий металлический

стержень 3 опирается своими концами на стержни, может свободно перемещаться вдоль них. Стержни присоединены к аккумуляторной батарее через коммутатор, с помощью которого можно замыкать и размыкать электрическую цепь, образованную проводниками, также изменять направление электрического тока в ней. Опыт показывает, что при замыкании цепи проводник перемещается вдоль стержней. Направление перемещения проводника зависит от направления электрического тока в нем. Если ток / в проводнике идет перпендикулярно к плоскости чертежа «к нам», то проводник перемещается вправо. Если ток / идет в противоположном направлении, то проводник перемещается влево. Действие магнитного поля на проводники с током было обнаружено Г. Эрстедом и А. Ампером. Рассмотрим, с какой силой действует магнитное поле на проводник с током. С этой целью сначала рассмотрим малый элемент тока - ток на малом участке провода оII. Участок с11 заполнен зарядом г/^г. Заряд движется со скоростью V, и на него действует сила:

с1Р = с1д[и ■ В]

(3)

(4)

(5)

Произведение йцх можно представить в другом виде, выразиЕ заряд через силу тока:

йаи = с1а — = —сИ = 1Л Ж Ж

Еремя (И представляет собой тот промеж>;ок времени, за который заряд Ац проходит через сечение элемента провода Отношение (^^/(I^ представляет собой силу тока. Таким образом, сила, действующая на элемент тока /, определяется формулой:

ОР = 1[<Я-В] или йр = В-1 ■ <й %та,

где зта = зт[б//^Л в]

Эта сила называется силой Ампера, а выражение с1Р = 1[жв] — законом Ампера в векторной форме. Она пропорциональна элементу тока (II , магнитной индукции В и синусу угла между элементом тока и магнитной индукцией. Так выражается сила Ампера для элемента тока. Сила же Ампера, действующая на конечный участок провода с током, находится путем интегрирования элементарных сил:

р -

(6)

Ограничимся рассмотрением частного случая: пусть прямолинейный участок провода с постоянным током помещен в однородное магнитное поле (рис.11). Магнитное поле называется