физика лаб / 2сем / 15

1. Магнитное поле, его свойства и особенности. Природа его источников.

При подключении к двум параллельным проводникам электрического тока, они будут притягиваться или отталкиваться, в зависимости от направления (полярности) подключенного тока. Это объясняется явлением возникновения материи особого рода вокруг этих проводников. Эта материя называется магнитное поле. Магнитной силой называется сила, с которой проводники действуют друг на друга.

Магнитное поле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения, магнитная составляющая электромагнитного поля.

Магнитное поле оказывает влияние на: перемещающиеся электрические заряды; вещества, называемые ферромагнетиками: железо, чугун, их сплавы.

Источники магнитного поля – это электрическое поле, меняющееся во времени; подвижные заряды; постоянные магниты.

Главным отличительным признаком и свойством магнитного поля является формирование только при передвижении некоторого заряда. То есть есть заряженное тело не двигать, то и магнитного поля вокруг него образовываться не будет. Магнитное поле способно воздействовать и влиять на электрический ток. Его можно обнаружить, если проконтролировать движение заряженных электронов. В магнитном поле частицы с зарядом отклонятся, проводники с протекающим током будут перемещаться. Рамка с подключенным питанием тока станет поворачиваться, а намагниченные материалы переместятся на некоторое расстояние.

Магнитное поле не воспринимается человеческими органами, и может фиксироваться только особыми приборами и датчиками. Оно бывает переменного и постоянного вида. Переменное поле обычно создается специальными индукторами, которые функционируют от переменного тока. Постоянное поле формируется неизменным электрическим полем. Магнитное поле разных источников суммируются между собой. При этом они создают общее поле.

Параметры магнитного поля:

Сцепление потоков (Ψ).

Вектор магнитной индукции (В).

Магнитный поток (Ф).

Магнитная проницаемость определяет, насколько магнитное поле в определенной среде ниже или выше индукции поля в вакууме. Вещество называют намагниченным, если оно образует свое магнитное поле. При помещении вещества в магнитное поле у него появляется намагниченность.

2 Характеристики магнитного поля и их физический смысл.

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B (вектор индукции магнитного поля).

Магнитная индукция

Магнитная индукция B — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля(его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой F магнитное поле действует на заряд q, движущийся со скоростью V.

Более конкретно, B — это такой вектор, что сила Лоренца F, действующая со стороны магнитного поля на заряд q, движущийся со скоростью V, равна

Так же, магнитную индукцию можно найти из следующей формулы:

Физический смысл вектора магнитной индукции: это физическая величина, численно равная силе Ампера, действующей на единицу длины проводника с током единичной величины, если ток течет перпендикулярно направлению магнитного поля.

Нередко в литературе в качестве основной характеристики магнитного поля в вакууме(то есть в отсутствие магнитной среды) выбирают не вектор магнитной индукции B, а вектор напряжённости магнитного поля H, что формально можно сделать, так как в вакууме эти два вектора совпадают; однако в магнитной среде вектор H не несет уже того же физического смысла, являясь важной, но всё же вспомогательной величиной. Поэтому при формальной эквивалентности обоих подходов для вакуума, с систематической точки зрения следует считать основной характеристикой магнитного поля именно H.

Напряженность

Напряжённость магнитного поля (стандартное обозначение Н) — векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M.

В магнитных средах (магнетиках) напряжённость магнитного поля имеет физический смысл «внешнего» поля, то есть совпадает (быть может, в зависимости от принятых единиц измерения, с точностью до постоянного коэффициента, как например в системе СИ, что общего смысла не меняет) с таким вектором магнитной индукции, какой «был бы, если магнетика не было».

Магнитный поток Ф – физическая величина, равная произведению магнитной индукции на площадь контура и косинус между вектором индукции и нормалью к плоскости контура, через который проходит поток. Магнитный поток - скалярная характеристика магнитного поля.

Ф =BScosα

Можно сказать, что магнитный поток характеризует количество линий магнитной индукции, пронизывающих единицу площади. Магнитный поток измеряется в Веберах (Вб).

Физический смысл:

Магнитный поток – это величина, выражающая энергию, которая переносится магнитным полем через площадь, ограниченную данным контуром.

Магнитная проницаемость – коэффициент, определяющий магнитные свойства среды. Одним из параметров, от которых зависит магнитная индукция поля, является магнитная проницаемость.

Относительная магнитная проницаемость показывает, во сколько раз в данной среде сила взаимодействия между проводами с током изменяется по сравнению с вакуумом. Численно равна отношению абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной.

Абсолютная магнитная проницаемость равна произведению магнитной проницаемости на магнитную постоянную. Изменение сил взаимодействия между проводами обусловлено изменением интенсивности магнитного поля, вызванного размером, формой проводов, а также магнитными свойствами вещества, находящегося между проводами. Магнитная проницаемость показывает, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость данного материала больше магнитной постоянной.

3 Индуктивность и ее физический смысл.

Индуктивность - это физическая (электрическая) величина, которая характеризует магнитные свойства электрической цепи. Как известно электрический ток, протекающий через проводящий контур, создает вокруг него магнитное поле. Это происходит потому, что ток изначально несет в себе энергию. Проходя через проводник, он частично отдает ее, и она превращается в энергию магнитного поля. Индуктивность, по сути, является коэффициентом пропорциональности между протекающим током и возникающим при этом магнитным полем.

Поскольку   из формулы   получаем, что   Эта формула раскрывает физический смысл индуктивности: из нее следует, что индуктивность контура численно равна ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с. Поэтому индуктивность называют также коэффициентом самоиндукции.

4. В чем заключается метод моделирования, используемый в данной лабораторной работе.

Метод математического моделирования полей имеет больше преимущества перед экспериментальным исследованием самих этих полей или их физических моделей. То обстоятельство, что внутри проводящей среды текут токи, делает возможным употребление токопроводящих вольтметров, гальванометров или соответствующих им приборов (схем), которые удобно и надежно позволяют определить потенциалы (разность потенциалов) в интересующих нас точках поля. Кроме того, распределение токов в проводящей среде нечувствительно к посторонним электростатическим (магнитным) влияниям. И, наконец, непосредственное экспериментальное определение характеристик полей (Е, Н) бывает либо слишком затруднительным, либо вообще невозможным. Картину магнитного поля параллельных проводников с током I можно получить, взяв в качестве модели электростатическое поле этих проводников, заряженных с линейной плотностью заряда .

Эквипотенциальные линии электростатического поля в неподвижной системе отсчета являются линиями напряженности магнитного поля в движущейся системе отсчета, т.е. электростатическое поле заряженных проводников может служить моделью магнитного поля тех же проводников с током. 

5. Запишите уравнения Максвелла и объясните физический смысл каждого.

Циркуляция вектора напряженности Е вихревого электрического поля по любому замкнутому контуру равна скорости изменения магнитного потока через площадь контура, взятую с обратным знаком. Электрическое и магнитное поля взаимосвязаны, т.е. в общем случае электрическое и магнитное поля не могут существовать независимо друг от друга. Следовательно, существует единое электромагнитное поле.

Поток вектора индукции В магнитного поля через любую замкнутую поверхность равен нулю. Следовательно, силовые линии магнитного поля замкнуты

Циркуляция вектора напряженности Н магнитного поля по замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов, пронизывающих этот контур. Магнитное поле порождается током проводимости и переменным электрическим полем.

Поток вектора электрической индукции D через любую замкнутую поверхность равен сумме свободных зарядов, охватываемых этой поверхностью. Электрическое поле создается нескомпенсированными электрическими зарядами.