Двигатель внутреннего сгорания Электрический ток в металлах Астрономия Строение атомов Физика атома. Цепная ядерная реакция деления Закон Ампера Элементы земного магнетизма Явление взаимной индукции

Конспекты по физике Лекции и примеры решения задач

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 220.

ТЕОРИЯ

Закон Ампера. Характеристика магнитного поля, единицы их измерения.

Движущиеся заряды /токи/ изменяют свойства окружающего их пространства - создают в них магнитное  поле. Его наличие проявляется в том, что на движущиеся в нем заряды /токи/ действуют силы, т.е. взаимодействие токов осуществляется через магнитное поле. Закон взаимодействия  токов был установлен в 1820 году Ампером. Он пришел к выводу, что сила F, которая  действует на прямолинейный проводник с током, находящийся в однородном магнитном поле, прямо пропорциональна силе тока I в проводнике, его длине l, магнитной индукции поля В и синусу угла  между направлением тока в проводнике и вектором В;

  F = I · В · ·sin  (1)

Закон Ампера можно применять также для неоднородного магнитного поля и проводника произвольной формы.  Бесконечно малый элемент d проводника любой формы можно считать прямолинейным,  а магнитное поле в области, занятой элементом d, можно считать однородным. Поэтому в общем случае закон Ампера имеет следующий вид:

 d F =I · В· d· sin(d, B) , (2)

где d F - сила, действующая на элемент проводника длиной d;

угол  заменен углом между векторами d (вектор, равный по величине d и имеющий направление тока) и вектором В. Закон Ампера можно записать и в векторной форме:

 dF = I [d·В] (3)

 Отсюда следует, что вектор силы dF направлен перпендикулярно к плоскости, образованной векторами dи В таким образом, чтобы из конца вектора dF  вращение от вектора d к вектору В по кратчайшему пути происходило против часовой стрелки, (рис.1).

Направление силы, действующей на проводник с током, удобно определять с помощью так называемого правила левой руки. Если рассмотреть левую руку, расположенную так, чтобы вектор В "вонзился" в ладонь, а четыре пальца были направлены вдоль тока, то отставленный в сторону большой палец укажет  направление силы (рис.2). Закон Ампера позволяет оп­ределить численное значение силовой характеристики магнитного поля вектора магнитной индукции В.

 d 

Рис.1. Сила Ампера

Предположим, что элемент проводника d с током I перпендикулярен направлению магнитного поля, т.е. sin (d ,В) = 1. Тогда, в соответствии с законом Ампера, можно записать величину магнитной индукции в виде:


 В = (4)


Рис.2. Правило левой руки.

Из этой формулы следует, что магнитная индукция В численно равна силе, действующей со стороны  магнитного поля на единицу длины проводника, по которому течет ток единичной силы  и который расположен перпендикулярно к направлению магнитного поля. В СИ за единицу магнитной индукции, называемой тесла (Т), принимается магнитная индукция такого магнитного поля, которое действует с силой в I Ньютон на каждый метр длины прямолинейного проводника, расположенного перпендикулярно к направлению поля, если по этому проводнику проходит ток в I ампер.

Из формулы (4) следует, что

I T=I

В абсолютной электромагнитной системе единиц (СГСМ) единица измерения магнитной индукции называется гауссом: (Гс):1Гс = 10-4 Т.

Наряду с магнитной индукцией В магнитное поле характеризуется и другой величиной - вектором напряженности Н, который связан с вектором В следующим отношением:

 Н= (5)

где  - относительная магнитная проницаемость среды (величина безразмерная), - магнитная постоянная, равная 410-7  . Если В - вектор магнитной индукции поля тока в среде, а В0 -вектор магнитной индукции поля тока в вакууме, то

 * = (6) 

 В СИ за единицу измерения напряженности магнитного поля, называемую ампер на метр (А/м), принимается напряженность такого поля, магнитная индукция которого равна в вакууме 410-7 Т.

В СГСМ напряженность магнитного поля измеряется в эрстедах (Э)

IЭ=103/4А/м80А/м

Сила Лоренца. Сила Ампера, действующая на проводник с током в магнитном поле, обусловлена действием сил на отдельные, движущиеся заряды, а уже от этих зарядов действие передается проводнику, по которому они перемещаются. На отдельный заряд q, 'движущийся со скоростью V в магнитном поле  с индукцией В, действует сила, называемая силой Лоренца.


 Fл=q[VB] (7)

Особенностью силы Лоренца является ее зависимость от скорости частицы и знака заряда (рис.3). Эта сила перпендикулярна векторам V и В и вызывает лишь изменение траектории заряженной частицы. Часто лоренцевой силой называют сумму электрической и магнитной сил, действующих на заряд в электромагнитном поле:

 Fл=qЕ+ q[VB] 

здесь Е - вектор напряженности электрического поля.

Рис.3. Сила Лоренца

Действием силы Лоренца объяс­няется эффект Холла, заключа­ющийся в появлении поперечной разности потенциалов в образ­це с током, помещенным в маг­нитное поле. Закон Био - Савара - Лапласа  позволяет определить вектор магнитной индукции в каждой точке поля, которое создается током, текущим по проводнику любой формы. Закон записывается в следующем виде:

 

 dB=[d,r] (9)

или


 dB=sin(d,r) (10)

 

где d,- элемент проводника с током; г радиус  вектор, проведенный из элемента проводника d в рассматриваемую точку поля С; r - модуль радиуса-вектора r (рис.4). Из формулы (9) следует, что вектор магнитной индукции в какой-либо точке С магнитного поля направлен перпендикулярно к плоскости, в которой лежат векторы d и r таким образом, что из конца вектора dB поворот вектора d до совмещения с вектором r по кратчайшему пути виден происходящим против часовой стрелки. Вектор магнитной индукции В в каждой точке поля любого проводника с током представляет собой векторную сумму индукций dВ элементарных магнитных полей, создаваемых каждым участком d этого проводника, ибо при наложении магнитных полей справедлив принцип суперпозиции, т.е. принцип независимого наложения полей. Поэтому В =s d , где символ  означает, что интегрирование распространено на всю длину проводника.

Расчет показывает, что индукция магнитного поля бесконечно длинного проводника с током I выражается формулой:

B= (11)

где а - кратчайшее расстояние от данной точки поля до проводника с током.

Рис.4. Магнитная индукция элемента проводника с током.

При накаливании металла, находящегося в слабом, электрическом поле, можно наблюдать поток отрицательного электричества, источником которого является поверхность металла.

Явление электромагнитной индукции. При движении проводника в магнитном поле в нем возникает электродвижущая сила индукции, а если при этом проводник замкнут, то в нем появляется электрический ток индукции.

Изучение свойств ферромагнетиков Всякое тело является МАГНЕТИКОМ, т.е. под действием магнитного поля оно приобретает магнитный момент (намагничивается). Магнитные свойства тел обусловлены магнитными свойствами элементарных частиц, входящих в состав атомов и молекул.

Ферромагнитные тела образуют третий, особый класс магнетиков. Свое название они получили от наименования основного представителя этого класса веществ - железа. К ферромагнетикам относятся кобальт, никель, гадолиний, тербий, диспрозий, эрбий, ряд сплавов и химических соединений.

Установка для определения точки Кюри ферромагнетика состоит из двух одинаковых катушек, каждая из которых имеет по две обмотки: первичную и вторичную. Первичные обмотки катушек (1-1) соединены последовательно и включаются через трансформатор


Основные положения квантовой механики