1.3 Електромагнетизм

1.3.1 Магнітне поле. Дія магнітного поля на провідник зі струмом

1. Загальні відомості про магнітні поля

Якщо магнітну стрілку, яка вільно обертається, помістити під провідником зі струмом, то вона встановиться перпендикулярно до нього. Коли струм вимкнути, стрілка знову займе своє попереднє положення – вздовж магнітного меридіана.

Цей досвід доводить наявність якоїсь сили, що утворена струмом. Який проходить у провіднику, і діє на магнітну стрілку. Ця сила є магнітною силою, яку має постійний магніт, що діє на відстані на стальні предмети.

Дія магнітних сил позначається в будь-якій точці простору навколо провідника зі струмом.

Магнітним полем називається особливий вид матерії, що входить до складу електромагнітного поля.

Якщо в магнітне поле потрапляють сторонні предмети, виготовлені з чорних і деяких інших металів, або провідники,по яких проходить струм, то завдяки своїй енергії воно здатне переміщати їх.

М. Фарадей запропонував графічно зображати магнітне поле замкнутими силовими лініями, які подібно до гумових шнурів прагнуть скоротитися.

Конфігурація магнітного поля, утвореного провідником зі струмом, цілком залежить від форми провідника і магнітопровода (провідника силових ліній магнітної індукції). Останні мають певний напрям, який залежно від від форми провідника зі струмом, що їх створив,визначається по різному.

Прямолінійний провідник зі струмом утворює магнітне поле, силові лінії якого зображаються у вигляді концентричних кіл. Перереконатися в цьому можна, продівши провідник зі струмом через аркуш паперу, на який написано стальні ошурки. Останні розмістяться вздовж силових ліній так, як показано на рисунку 3.1.

Напрям силових ліній визначається правилом свердлика: якщо обертати свердлик так, щоб його поступальний рух збігався з напрямом струму в провіднику, то напрям обертання рукоятки свердлика покаже напрям силових ліній магнітної індукції.

Якщо пропустити струм по провіднику, навитого в простягнуту спіраль (соленоїд), то дістанемо магнітне поле, силові лінії якого, зображені на рис. 3.1,б.

Соленоїд - це найпростіший електромагнітний прилад, який подібно до постійного магніту має полярність (N – північний полюс; S – південний полюс).

Умовилися вважати, що силові лінії виходять з північного, а входять у південний полюс. Відповідно до цього полярність соленоїда можна визначати за правилом свердлика, сформульованим так: якщо обертати рукоятку свердлика в напрямі, який збігається з напрямом струму у витках соленоїда, то його поступальний рух укаже напрям силових ліній в ньому.

Знаючи напрям силових ліній, легко визначити полярність соленоїда.

Магнітна індукція та магнітний потік

У магнітне поле, утворене магнітом N – S, помістимо провідник зі струмом (3.2). Провідник, взаємодіючи з магнітним полем, почне рухатися в певному напрямі. Це свідчить про те, що до нього прикладено певну силу. Експериментально встановлено, що значення цієї сили пропорційне силі струму І, активній довжині провідника L (тій його частині, яка перебуває в зоні дії магнітного поля) та інтенсивності магнітного поля В, тобто

F = I L B,

В =

Інтенсивність магнітного поля В називається магнітною індукцією. Про останню можна судити за тією силою, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом.

З (3.2) випливає, що магнітна індукція чисельно дорівнює силі, що діє на провідник завдовжки в 1 м, по якому проходить струм в 1 А. Якщо провідник розміщений не перпендикулярно до напряму силових ліній магнітного поля, тобто , то діюча на провідник сила визначається виразом

F = I L B

Сила F називається електромагнітною силою.

Відповідно до закону Ампера

B =

Магнітна індукція – векторна величина. Вектор магнітної індукції в даній точці поля торкається силової лінії, що проходить через цю точку, тобто збігається з напрямом магнітного поля. З фізичної точки зору магнітну індукцію можна характеризувати кількістю силових ліній, які пронизують площадку в 1м , розташовану в даній точці магнітного поля перпендикулярно до його силових ліній.

Одиницею магнітної індукції в СІ є тесла (Тл)

Магнітна індукція є основною величиною, яка характеризує магнітне поле і широко застосовується при розрахунках магнітопроводів.

Напрям руху провідника зі струмом у магнітному полі, тобто напрям дії електромагнітної сили, визначається правилом лівої руки рис.(3.3)

Якщо розмістити кисть лівої руки так, щоб силові лінії магнітного поля входили в долоню, а чотири пальці збігалися з напрямом струму в провіднику, то відігнутий великий палець укаже напрям руху провідника.

Однорідним називається таке магнітне поле, в будь-якій точці якого вектор магнітної індукції однаковий. Це значить, що густота силових ліній, а також напрям їх в будь-якій точці магнітного поля однакові.

Якщо кількість силових ліній однорідного магнітного поля, які пронизують площадку в 1м , розташовану перпендикулярно до них, характеризує його магнітну індукцію, то вся кількість силових ліній даного поля, що пронизують площадку в S м , розміщену перпендикулярно до них, визначає магнітний потік через цю поверхню, який позначається літерою Ф (рис.3.4). Очевидно, що

Ф = ВS

Одиницею магнітного потоку в СІ є вебер (Вб)

Магнітний потік, як і магнітна індукція, - величина, яка широко застосовується при розрахунках магнітопроводів електричних машин і апаратів.

Магнітна проникність

Магнітне поле, створене провідником із струмом, при своєму поширенні може зустріти різні середовища (повітря, вакуум, різні гази чи тверді тіла). Середовище може містити кілька перелічених складових. Різні речовини по-різному пропускають силові лінії магнітного поля, або, як кажуть, мають різну магнітну провідність.

Здатність матеріальних тіл пропускати магнітний потік характеризується величиною, яка називається абсолютною магнітною проникністю ( ). Тому, крім абсолютної магнітної провідності, існує ще відносна магнітна провідність

= / (3.7)

Одиницею абсолютної магнітної проникності в СІ є генрі на метр (Гн/м).

Відносна магнітна проникність – абстрактна величина. Залежно від здатності пропускати магнітний потік усі тіла поділяються на діамагнітні, парамагнітні та феромагнітні.

Діамагнітними називаються тіла, відносна магнітна проникність яких менша за одиницю. До них належать: вісмут, мідь,свинець, срібло, цинк, гази, тощо.

Парамагнітними називаються тіла, відносна магнітна провідність яких трохи більше за одиницю. Сюди належать марганець, платина, алюміній, вольфрам, олово.

Феромагнітними називаються тіла, відносна магнітна проникність яких значно більша за одиницю і може досягти кількох десятків тисяч. До них належать залізо,нікель, кобальт і сплави їх, а також сплави марганцю з міддю.

Ця група тіл має велике значення для електротехніки, бо матеріали, які входять до неї, використовуються для виготовлення магнітопроводів електричних машин і апаратів. Виконуючи технічні розрахунки, вважають що відносна магнітна проникність діамагнітних і парамагнітних тіл дорівнює одиниці. Для повітря = 1.