Электричество. Магнетизм. Виртуальные модели. Методические указания к лабораторным работам на компьютерных моделях

2. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 51(к)

Цель работы:

1.Изучение магнитных полей около проводника с током.

2.Наблюдение и изучение взаимодействия двух проводников с током.

3.Экспериментальное определение величины магнитной постоянной.

Краткая теория

Около проводников с током и постоянных магнитов всегда существует магнитное поле. Оно появляется при любом направленном движении электрических зарядов и при существовании переменного во времени электрического поля.

Магнитное поле можно найти, помещая в него магнитные стрелки или проводники с током, так как оно оказывает на них ориентирующее действие.

Индукция магнитного поля — определяемая физическая величина, зависящая от токов, создающих поле, и свойств среды, в которой оно существует.

Магнитное поле изображается линиями магнитной индукции, т.е. линиями, касательная в каждой точке которых совпадает с направле-

нием вектора магнитной индукции . В отличие от потенциального электрического поля, магнитное поле является вихревым, его линии индукции всегда замкнуты, т.к. в природе не существует магнитных зарядов.

Направление линий магнитной индукции поля, созданного током, определяется по правилу правого винта: если направление поступательного движения винта совпадает с направлением тока, то направление вращения укажет направление линий магнитной индукции. Линии магнитной индукции магнитного поля прямого проводника с током представляют собой окружности, лежащие в плоскостях, перпендикулярных проводнику. Центры окружностей находятся на оси проводника (рис. 5).

Линии магнитной индукции кругового витка охватывают каждый элемент проводника, а направление линий, проходящих через центр витка, также определяется по правилу правого винта и в центре витка совпадает с направлением магнитной индукции, а касательная к ним

совпадает с вектором магнитной индукции (рис. 6).

15

а б в г

Рис. 5. Направление линий магнитной индукции:

а, б — вид сбоку; в, г — вид сверху

Рис. 6. Линии магнитной индукции кругового витка

Если во всех точках некоторой части пространства вектор индукции магнитного поля имеет одинаковое значение по модулю и одинаковое направление, то магнитное поле в этой части пространства назы-

вается однородным (рис. 7).

Рис. 7. Линии индукции магнитного поля

Магнитное поле, созданное длинной прямой катушкой с током (соленоидом) в ее центре, изменяется незначительно, и его можно считать однородным. Вектор магнитной индукции входит в соленоид с той стороны, с которой направление тока в витках катушки представляется соответствующим ходу часовой стрелки (рис. 8).

16

Рис. 8. Линии магнитной индукции катушки с током

Для характеристики способности магнитного поля оказывать силовое воздействие на проводник с током вводится векторная величина —

магнитная индукция , которая определяется отношением максимального вращательного момента Мmax, действующего на контур с током, к его магнитному моменту Pm :

Модуль магнитного момента равен произведению силы тока I, текущего по контуру, на площадь поверхности S, охватываемой этим контуром:

а направление магнитного момента совпадает с направлением индукции магнитного поля, создаваемого в центре контура текущим по нему током.

Направление вектора , определяется по правилу правого винта: если направление вращения винта совпадает с направлением тока в контуре, то его поступательное движение укажет направление вектора магнитной индукции и, соответственно, магнитного момента (рис. 9).

17

Рис. 9. Направление вектора

Магнитная индукция измеряется в теслах (Тл). Тесла — это индукция такого однородного магнитного поля, которое действует максимальным вращательным моментом 1Н·м на контур с током, магнитный момент которого равен 1 А·м2.

Силой Ампера называется сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током. Сила Ампера пропорциональна силе тока, текущего по проводнику, индукции магнитного поля, длине проводника и зависит от ориентации проводника в магнитном поле. В случае прямого проводника длиной l, по которому течет постоянный ток I в

однородном (рис. 8) магнитном поле, магнитная индукция которого постоянна, сила Ампера определяется по формуле:

где —вектор, совпадающий по направлению с током в проводнике, а его модуль равен длине проводника.

Модуль силы Ампера равен:

где α — угол между и направлением тока.

Направление силы Ампера определяется по правилу векторного произведения (рис. 10).

18

Рис. 10. Направление силы Ампера

Если α = 90°, то направление силы Ампера можно определить по правилу левой руки: если левую руку расположить так, что линии магнитной индукции входят в ладонь, четыре вытянутых пальца направлены по току, то отогнутый большой палец укажет направление силы.

Индукция магнитного поля проводников с током определяется по закону Био-Савара-Лапласа, согласно которому индукция магнитного

поля элемента тока равна:

где μо — магнитная постоянная, равная μо = 4π·10-7 Гн/м; μ — относительная магнитная проницаемость среды, показывающая во

сколько раз индукция магнитного поля в данной среде больше или меньше, чем в вакууме;

— элемент длины проводника, которому приписывается направление движения положительных зарядов;

r — расстояние от элемента проводника до рассматриваемой точки;

ед — единичный вектор, направленный от элемента проводника к точке;

α — угол между и r ед (рис. 11).

Если магнитное поле создается несколькими источниками, то вектор магнитной индукции в данной точке определяется по принципу суперпозиции как векторная сумма векторов магнитной индукции полей, создаваемых каждым источником в отдельности:

19