Тема 4. Магнитное поле в вакууме и веществе

§13. Взаимодействие токов. Магнитное поле. Индукция и напряженность магнитного поля. Виток с током в магнитном поле. Закон Био - Савара - Лапласа. Магнитное поле прямого, кругового и соленоидального токов.

§14. Вихревой характер магнитного поля. Циркуляция вектора индукции магнитного поля. Магнитный поток. Сила Ампера. Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле. Сила Лоренца. Определение удельного заряда электрона.

§15. Магнетики. Намагниченность. Связь индукции и напряженности магнитного поля в магнетике. Магнитная проницаемость и восприимчивость. Магнитомеханические явления.

§16. Понятие о диа-, пара- и ферромагнетиках. Доменная структура ферромагнетиков. Магнитный гистерезис. Работы Столетова. Точка Кюри. Магнитные материалы и их применение.

§ 13.Взаимодействие токов. Магнитное поле. Индукция и напряженность магнитного поля. Виток с током в магнитном поле. Закон Био - Савара - Лапласа. Магнитное поле прямого, кругового и соленоидального токов

1. Взаимодействие токов

2. Магнитное поле. Индукция и напряженность магнитного поля

3. Виток с током в магнитном поле

4. Закон Био - Савара - Лапласа. Магнитное поле прямого, кругового и соленоидального токов

13.1 Взаимодействие токов

Изучение природы магнитных явлений началось с рассмотрения естественного магнетизма. Это взаимодействие естественных магнитов происходило и с некоторыми веществами, которые относятся к классу ферромагнетиков. В дальнейшем мы увидим, что взаимодействие остается таким же, если один из естественных магнитов заменен на проводник с током (опыт Эрстеда), и, наконец, можно наблюдать это явление, если взаимодействуют два проводника с током (опыт Ампера).

Опыт 13.1. Опыт Эрстеда.

Оборудование:

Рис. 118.

1. Магнитная стрелка

2. Источник тока В-24

3. Проводник

Схема установки:

Магнитная стрелка первоначально устанавливается параллельна проводнику. При включении источника тока стрелка устанавливается перпендикулярно проводнику. При отключении источника тока стрелка возвращается в исходное положение.

Вывод: вокруг проводника с током существует магнитное поле, т.е. там, где есть движущиеся электрические заряды, существует магнитное поле.

Опыт 13.2. Взаимодействие двух проводников с током.

Оборудование:

1. Две ленты гибкие из фольги

2. Источник тока В-24

3. Проводник

Схема установки:

Рис. 119.

Токи направлены противоположно – проводники при этом отталкиваются.

Токи сонаправлены – проводники при этом притягиваются.

Вывод: при взаимодействии двух проводников с током возникают силы, которые отталкивают или притягивают проводники.

Изучение магнитных явлений показало, что магнитное взаимодействие наблюдается тогда, когда имеет место перемещение электрических зарядов по отношению к наблюдателю (или регистрирующему прибору). Поскольку все явления, связанные с относительным движением объектов, называются релятивистскими (от английского слова “relative” – относительный), то говорят, что магнетизм – это релятивистский эффект.

13.2. Магнитное поле. Индукция и напряженность магнитного поля

Рис. 120.

Магнитное поле – форма существования материи, обладающая свойством передавать магнитное взаимодействие. Вокруг движущихся зарядов свойства среды изменяются, среда передает магнитное взаимодействие, причем скорость передачи конечна.

Для исследования магнитного взаимодействия используют пробный контур с током:

(76)

Для характеристики взаимодействия контура с током с магнитным полем вводится понятие магнитного момента контура.

Магнитный момент – вектор, модуль которого равен произведению i на S и совпадает по направлению с положительной нормалью к поверхности контура.

Пусть имеется магнитное поле, в некоторой точке А которого помещается пробный контур с током. Пробный контур с током – такой контур, который не создает заметных искажений исходного поля.

Контур с током в магнитном поле будет поворачиваться, т.к. на него действует вращательный момент. Величина вращательного момента, действующего на контур с током, зависит от взаимной ориентации контура и поля.

На контур действует некоторый максимальный вращательный момент:

Величина для данной точки постоянна, поэтому ее можно выбрать в качестве характеристики магнитного поля:

(77)

– магнитная индукция.

Магнитная индукция – физическая величина, численно равная максимальному вращательному моменту, действующему на пробный контур с единичным магнитным моментом, помещенным в данную точку поля.

Магнитная индукция в СИ измеряется в Тесла (Тл):

Магнитная индукция – это вектор, а вращательный момент выражается как векторное произведение:

(78)

Кроме магнитной индукции для характеристики магнитного поля электрического тока (поля в вакууме) используется понятие вектора напряженности магнитного поля, который определяется по формуле:

, (79)

где =4π·10^-7Г/м.

Опыт 13.3. Магнитное поле прямого тока.

Цель работы: Исследовать магнитное поле вокруг прямого участка провода, закрепленного вертикально.

Оборудование:

1. Вертикально закрепленный провод

2. Маленькие магнитные стрелки

3. Соединительные провода

4. Источник тока

Ход работы.

1. Будем исследовать магнитное поле вокруг прямого участка провода, закрепленного вертикально. Направление тока в нем будет показывать белая стрелка. Вокруг нее размещены маленькие магнитные стрелки; они ориентированы вдоль магнитного меридиана при отсутствии тока в цепи. Чтобы ток протекал в указанном направлении, нижний конец провода подключили проводником белого цвета к отрицательному полюсу, а верхний конец – красным проводником к положительному.

2. Включим источник. Возникшее магнитное поле намного больше магнитного поля Земли, поэтому стрелки развернулись вдоль его магнитных линий. Если учесть, что магнитные линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный, то в этом случае магнитное поле тока направлено по часовой стрелке.

3. Выключив источник, заметим, что стрелки возвращаются в исходное положение.

4. Изменим направление тока в проводе, для этого изменим полярность подключения его концов. Верхний конец провода подключим к отрицательному полюсу, а нижний конец – к положительному. Ток при этом пойдет снизу вверх. Включив источник заметим, что стрелки вновь расположились по кругу, но теперь магнитное поле направлено против часовой стрелки.

Вывод: при протекании тока сверху вниз вдоль прямого участка провода, закрепленного вертикально, магнитное поле тока направлено по часовой стрелке. При изменении направления тока магнитное поле будет направлено против часовой стрелки.

Опыт 13.4. Явление электромагнитной индукции.

Цель работы: Изучить явление электромагнитной индукции.

Оборудование:

1. Алюминиевый, медный и магнитный бруски

2. Стеклянная и медная трубки

Ход работы.

1. Возьмем три небольших бруска: алюминиевый, медный и магнитный. Каждый из этих брусков будем пропускать сквозь трубки: стеклянную и медную. Через стеклянную трубку бруски проходят абсолютно одинаково.

2. Через медную трубку алюминиевый и медный бруски проходят одинаково, а магнитный брусок- значительно дольше остальных.

3. Задержать магнит в медной трубке может либо механическое препятствие, которого нет в трубке, либо магнитное поле. Но магнит с медной трубкой не взаимодействует.

4. Магнитное поле можно создать по-другому: вместо медной трубки возьмем виток медного провода и пропустим через него электрический ток. Внесем магнит: он в свою очередь отталкивается и притягивается. Если ток отключить- взаимодействие не наблюдается. Следовательно, магнит сам создает электрический ток, магнитное поле которого его задерживает.