6.2 Физические величины, описывающие явление электромагнетизма

Если вокруг прямого вертикального про­водника с током на перпендикулярной к нему плоскости поместить небольшие маг­нитные стрелки (рис. 6.2),

Рис 6.2

то на них будет действовать магнитное поле проводника, а их оси расположатся определенным образом, образуя как бы замкнутый круг.

При изменении направления тока в проводнике на противоположное стрелки повернутся на 180°.

Если на картон, сквозь который прохо­дит проводник с током (рис. 6.3),

Рис 6.3

насыпать железные опилки, то они намагнитятся (станут как бы маленькими магнитными стрелками) и образуют концентрические окружности.

Линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок, называют силовыми линиями маг­нитного поля (правильнее эти линии назы­вать линиями индукции магнитного поля).

За направление силовых линий магнит­ного поля принято направление, которое указывает северный полюс магнитной стрел­ки в каждой точке поля.

а) б)

Рис 6.4

На рис. 6.4 показано расположение маг­нитных стрелок на плоскости, если смот­реть на нее сверху. В случае (а) ток на­правлен от нас, что условно обозначается кружком с крестиком. Магнитные стрелки указывают своими северными полюсами, что на них действует сила в направлении движения часовой стрелки.

Если направление тока изменить на противоположное (б) — ток идет к нам, что обозначается кружком с точкой, то на северные полюсы будут действовать силы в направлении, противоположном направле­нию движения часовой стрелки.

Т аким образом, можно сделать вывод, который называется правилом буравчика: ес­ли буравчик ввинчивать по направлению про­хождения тока (рис. 6.5),

Рис 6.5

то направление вращения его рукоятки укажет направление силовых линий магнитного поля.

При различных формах проводников с током силовые линии магнитного поля располагаются не обязательно по окружностям, но всегда представляют собой замкнутые кривые.

Д ействие магнитного поля на виток с током позволяет использовать его и для определения модуля магнитной индукции. Поворачивание витка в магнитном поле свидетельствует о том, что на него действуют, по меньшей мере, две силы. Равнодействующие этих сил будут приложены в точках А и В (рис. 6.6). Вращательный момент, действующий на виток, будет равен произведению одной из этих сил на радиус витка . Этот момент не обязательно рассчитывать. Его можно измерить с помощью спиральной пружины или другого чувствительного устройства для измерения механического момента, соединенных с витком.

Экспериментально установлено, что отношение вращающего момента, создаваемого замкнутым проводником с электрическим током, помещенным в отдельную точку магнитного поля проводника с током, к произведению силы электрического тока в рамке на площадь рамки есть величина постоянная.

Ее назвали магнитной индукцией. Тогда можем записать выражение модуля магнитной индукции

,

где М – вращающий момент, создаваемый рамкой с током, ;

– сила электрического тока в рамке, А;

– площадь рамки, м².

Найдем единицу магнитной индукции

Единицей магнитной индукции является тесла (Тл).

Если взять два постоянных магнита и установить их на некотором расстоянии друг от друга противоположными полюсами (северным и южным), то в любой точке магнитного поля между полюсами магнитная индукция будет одинаковой как по модулю, так и по направлению (рис. 6.7)

Такое магнитное поле называется однородным.

Для однородного магнитного поля введем понятие магнитного потока Ф, под которым будем понимать произведение магнитной индукции на площадь, через которую замыкается магнитное поле

,

где В – магнитная индукция, Тл;

– площадь, через которую замыкается магнитное поле, м².

Получим единицу магнитного потока

.

Единицей магнитного потока есть вебер (Вб).

Между магнитным потоком, создаваемым электрическим током, и силой электрического тока существует прямопропорциональная зависимость

,

где – сила электрического тока, создающего магнитный поток, А;

– индуктивность, Гн.

Единицей индуктивности является генри (Гн).

Индуктивность как коэффициент пропорциональности между магнитным потоком и током зависит от числа витков провода с током, площади ограниченной витками, длины средней магнитной силовой линии

,

где – число витков провода с током;

– площадь, ограниченна витками, м²;

– длина средней магнитной силовой линии, м;

– магнитная постоянная, .

Магнитная постоянная .

Условно можем изобразить катушку, состоящую из нескольких витков, и показать геометрические размеры, введенные в формуле индуктивности. На рисунке 6.8 приведен разрез катушки и вид сверху.

Таким образом, для описания явления электромагнетизма введены следующие физические и геометрические величины: сила электрического тока, создающего магнитное поле; вращающий момент рамки с током; сила электрического тока в рамке; площадь рамки с током; магнитная индукция; магнитный поток однородного магнитного поля; индуктивность катушки; площадь сердечника катушки; длина средней силовой линии магнитного поля; число витков катушки; магнитная постоянная.