Лекция "Магнитное поле"
реклама
1 План лекции Взаимодействие электрических токов. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Линии магнитной индукции. Магнитный поток. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Закон Ампера. 2 Начало исследований по электромагнетизму 3 В 1820 г. датский физик Эрстед открыл магнитное действие тока Ersted1.avi 4 5 Открытие Эрстеда – начало исследований по электромагнетизму. Э М Начатое им продолжили А.Ампер, Д.Араго, Ж.Био, Ф.Савар, П.Барлоу, Дж.Грин, Дж.Генри, М.Фарадей и др. 6 В том же году французский физик Ампер открыл механическое взаимодействие токов и установил закон этого взаимодействия. 7 8 9 Для двух параллельных бесконечно длинных проводников Ампер установил: I1 r F r F 1 I2 2 l r I1 I 2 F k l a где k – коэффициент 7 2 k 2 10 Í / À пропорциональности. 10 I1 I 2 F k l r Если I1 = I2 = 1 А и l = r = 1 м, то величина силы взаимодействия будет равна F 2 10 7 H . Ампер – сила неизменяющегося тока, при которой два параллельных бесконечных прямолинейных проводника ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенные в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, взаимодействуют на каждом участке проводника длиной 1 м с силой, равной 2·10-7 Н. 11 Явление взаимодействия токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием. всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем про-странстве магнитное поле, способное действовать заряды. на другие движущиеся 12 Магнитное поле – особый вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами. 13 Основные свойства магнитного поля: Магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами). Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток (движущиеся заряды). 14 Магнитные стрелки и рамки с током являются индикаторами магнитного поля. 15 16 17 Магнитное поле является силовым полем. Силовой характеристикой магнитного поля называют вектор магнитной индукции (В). За направление вектора магнитной индукции в данной точке поля принимается направление магнитного поля в этой точке, т.е. принимается направление от южного полюса S к северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в данной точке магнитного поля, или направление нормали к рамке с током, помещенной в этой точке поля. 18 Правило буравчика Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки буравчика совпадет с направлением вектора магнитной индукции. 19 Принцип суперпозиции Магнитная индукция поля системы токов в некоторой точке равна геометрической сумме векторов индукции полей каждого из токов в отдельности: n r r B Bi i 1 20 Изобразите графически направление вектора магнитной индукции двух круговых токов, лежащих во взаимно перпендикулярных плоскостях, в точке О пересечения их осей. Задание I1 • О 90° • I2 • 21 Решение Определим по правилу буравчика направление векторов магнитной индукции полей, созданных токами. I1 • О 90° • r B2 r B1 r B I2 • 22 Силовые линии, или линии магнитной индукции, — это такие линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор В в данной точке поля. При графическом изображении полей линии индукции располагаются гуще в тех местах поля, где магнитная индукция больше. 23 Магнитное поле прямолинейного проводника с током 24 Магнитное поле кругового витка с током Поле кругового тока неоднородно. 25 26 27 28 Картина магнитного поля катушки с током (соленоида). Поле, магнитная индукция которого одинакова во всех точках, называется однородным. Магнитное поле внутри соленоида является однородным. 29 Линии магнитной индукции всегда замкнуты. Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Магнитное поле – вихревое поле. 30 Магнитное поле Земли 31 Сравнительная характеристика свойств магнитного и электрического полей Электрическое поле существует в пространстве вокруг покоящихся или движущихся зарядов. Магнитное поле порождается только движущимися зарядами. Электрическое поле материально, так как оно действует на тела и, следовательно, обладает энергией. Магнитное поле материально, так как оно действует на тела и, следовательно, обладает энергией. Электрическое поле можно обнаружить с помощью предварительно не наэлектризованных тел в результате их притяжения к наэлектризованным. Магнитное поле обнаруживается по его действию только на движущиеся заряды. Силовые линии начинаются на положительном заряде и уходят в бесконечность (или заканчиваются на отрицательном заряде). Линии магнитной индукции замкнуты. Магнитное поле – вихревое поле. Для электрических полей применим принцип суперпозиции. Для магнитных полей применим принцип суперпозиции. 32 Катушка с железным сердечником называется электромагнитом. 33 Применение электромагнитов Железнодорожный семафор с электромагнитным подъемным механизмом Электромагнитный тральщик mine.avi 34 Магнитное поле материально. Оно влияет на многие физические явления, процессы и свойства тел. Влияет оно и на живые организмы. Поэтому его свойства нашли применение в медицине и биологии. Глазной электромагнит. Магнитограмма. Магнитный интроскоп. 35 Модуль вектора магнитной индукции 36 Рассмотрим маленький контур (рамку) с током. r Пусть S – площадь рамки; n - положительная нормаль (перпендикуляр к плоскости рамки, направленный вдоль осевого перемещения буравчика, рукоятка которого поворачивается в направлении, совпадающем с направлением тока в рамке); - I – сила тока в ней. r B Если поместить рамку с током в магнитное поле, то под действием этого поля рамка повернется так, что направление нормали в данной точке поля будет совпадать с B . r 37 M ~ IS sin a При α = 90° момент Мmax максимален. Отношение максимального момента сил, действующего на контур с током, к произведению модуля силы тока на площадь, ограниченную контуром, есть модуль вектора магнитной индукции: B За единицу магнитной индукции принимается магнитная индукция поля, в котором на рамку площадью 1 м2 при силе тока 1 А действует со стороны магнитного поля максимальный момент сил М = 1 Н · м. M max . IS 1Н м Н 1 Тл 1 . 2 1А м А м 38 Магнитным потоком через замкнутый контур площадью S называет физическая величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь контура S и на косинус угла между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к плоскости контура. Ф = BScos α. Пусть Вн = Bcos α – проекция вектора В на нормаль к плоскости контура. Тогда можно записать: Ф = BнS. Магнитный поток выражается в веберах. 1 Вб = 1 Тл · 1 м2. 39 Как установил Ампер, на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила. Если вектор магнитной индукции составляет с направлением отрезка проводника с током угол α, сила, действующая на проводник с током со стороны магнитного поля, определяется следующим соотношением: F = I В Δ l sin α или F = I В^ Δ l. r B^ I α r F r BII Δl r B Сила Ампера максимальна при sin α = 1, т.е. Fmax = I В Δ l , откуда Fmax B I Δl 40 Магнитная индукция — это векторная физическая величина, модуль которой численно равен максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока. Единичный элемент тока — это проводник длиной 1 м и силой тока в нем 1 А. Fmax B I Δl Единицей измерения магнитной индукции в СИ является тесла. 1 Тл = 1 Н/(А ּ м). 41 F = В I Δ l sin α lev_ruk.avi - закон Ампера Модуль силы Ампера равен произведению модуля вектора магнитной индукции на силу тока, длину участка проводника и на синус угла между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока на данном участке проводника. Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца показывали направление тока, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера. 42 43 44 Пользуясь правилом левой руки, определите направления силы Ампера в следующих случаях: Задание N I S N × × × × × × × × N I × × × × × × × × S S S N 45 Решение N FI F B S N B S × F× × × S N B I × × × × × × × × × × × × B F N S F 46 Действие магнитного поля на движущийся заряд Сила, действующая на заряженную движущуюся частицу в магнитном поле, называется силой Лоренца: F IBl sina FË I qnS A N nV V Sl qnSlB sina F nSl FË qB sin a 47 48 F FË ma F Ë qB a m qB R 2 m R qB T 2R 2 R 2m qB 49 50 51 52
