ФБТ БИ 2курс / Magnetizm

обертального моменту Мmax, що діє на одиничний пробний контур (PM = 1)

в даній ділянці поля, і збігається з напрямком нормалі до контуру в

умовах рівноваги. Подібно визначалась напруженість електричного поля Е

- як сила, що діє на одиничний пробний заряд.

Означена таким чином, індукція магнітного поля В є силовою характеристикою поля, отже є аналогом напруженості електричного поля

E. Як і електричне поле, магнітне поле характеризується лініями магнітної індукції, що в кожній точці збігаються з напрямком В.

Кількість ліній, що проходять через перпендикулярну одиничну поверхню ,

чисельно повинна дорівнювати В .

Для характеристики магнітного поля вводиться також потік вектора

Щоб визначити магнітний потік через довільну поверхню (S) в неоднорідному магнітному полі, останню розбивають на ряд нескінченно малих елементів

(рис.1.8). Рис. 1.8

11

Повний магнітний потік:

Поряд з вектором В для характеристики магнітного поля вводиться також напруженість магнітного поля Н:

Історично магнітна індукція В як сумарне поле у магнетику була введена за аналогією до електричної індукції D. Оскільки ж електростатичне поле потенціальне, а магнітне – вихрове, повної аналогії між характеристиками цих полів В і Е, а також Н і D бути не може.

3. Закон Біо - Савара - Лапласа

Ми виявили, що навколо провідника зі струмом існує магнітне поле.

Дослід демонструє, що чим довший провідник зі струмом, тим більша величина цього поля. Тому для визначення величини поля використовується елемент струму Idl.

У 1920 р. було встановлено закон, який визначає магнітну індукцію, що створюється елементом струму:

12

Рис. 1.9

Це означає, що силові лінії магнітного поля концентрично розміщені навколо осі струму, тобто вони замкнені. Поля із замкненими силовими лініями називаються вихровими. Отже, магнітне поле – вихрове. Закон Біо

– Савара – Лапласа можна застосовувати до елементів струму різної форми і розрахувати результуюче поле як суперпозицію полів dB усіх елементів:

B = ∑dB

13

4. Застосування закону Бio – Савара – Лапласа для розрахунку магнітних полів

а) Магнітне поле прямолінійного провідника зі струмом

Розрахуємо поле В для випадку провідника зі струмом кінцевої довжини. Для цього виділимо на провіднику елемент струму Idl і

запишемо закон Біо – Савара – Лапласа:

Змінні dl і r виразимо через α. Згідно з рис. 1.10, DC = dl∙sinα. З іншого боку, DC = r∙dα. Прирівнявши, маємо:

14

Якщо провідник нескінченно довгий, то α = 0, a α = π. Тоді:

μ I

B = 4πb[1 − (−1)]

або

В - поле на відстані b від нескінченно довгого провідника зі струмом.

Як бачимо, індукція поля для нескінченно довгого провідника

залежить від відстані b точки до

Рис. 1.11

провідника, а лінії індукції являють собою концентричні кола в площині,

перпендикулярній до струму (рис. 1.11).

Напруженість магнітного поля (у вакуумі):

Розмірність напруженості та індукції магнітного поля:

б) Магнітне поле заряду, що рухається

Провідник зі струмом створює у навколишньому середовищі магнітне поле. Але електричний струм у будь-якому провіднику – це напрямлений рух заряджених частинок: у металах – електронів, в електролітах – іонів, у

газах – електронів та іонів. Тому можна стверджувати, що будь-який заряд,

15

що рухається, створює навколо себе магнітне поле.

Знайдемо вираз для цього поля.

Розглянемо малий відрізок провідника довжиною dl

зі струмом (рис. 1.12). Згідно із законом Біо - Савара – Лапласа:

Idl = jds dl = jdV = qnv dV = q v ndV = qvdN

елемент струму де dN - кількість носіїв заряду в об'ємі dV, v- швидкість їх напрямленого руху. Підставивши це значення у (1.16), матимемо:

Це і є магнітне поле, яке створюється однією зарядженою частинкою, що рухається зі швидкістю v. Це поле перпендикулярне до v

і r і визначається за правилом правого свердлика (рис. 1.13).

Рис. 1.13

16

μ I B = 2R

Таким чином, у центрі колового струму

Векторне додавання В зводиться до складання модулів:

Приклади розв’язання задач

Задача № 1.1

Тонким провідником вигнутим у вигляді прямокутника зі сторонами a та b, проходить струм І. Визначити магнітну індукцію поля В у центрі перетину діагоналей прямокутника.

Розв’язок:

Прямокутник складається з чотирьох прямих провідників (рис.). Індукція магнітного поля в

17

центрі прямокутника дорівнює сумі індукцій, створених в цій точці кожним прямолінійним струмом:

де B1 і B2 - індукції, створені струмами провідників довжиною a та b.

Магнітна індукція поля, створюваного відрізком прямого провідника зі струмом дорівнює:

де r – відстань від провідника до точки О.

За умовою задачі, кінці провідника розташовані симетрично відносно точки в якій ми визначаємо магнітну індукцію, звідси,

Запишемо магнітну індукцію для провідників довжиною a та b:

Розв’язок:

Розіб’ємо провідник на вертикальні та горизонтальні ділянки, кожна з яких створює

вточці C магнітне поле. Нехай H -

напруженість магнітного поля, що створюється вертикальними ділянками, H -

горизонтальними.

Тоді результуюча напруженість:

H = H +H

Оскільки вектори H і H напрямлені на нас, тому можна записати:

За законом Біо – Савара - Лапласа:

π Isinα H2=π 4πr2 dl

4

Виразимо величини r і dl через кут α:

19

Підставивши числові данні отримуємо:

H1=37,9 Ам

H2 =39,3 Ам

Підставивши отримані значення в (з.1.9) отримаємо:

H=77,2 Ам.

Задача №1.3

Визначити напруженість H магнітного поля на осі кругового контуру на відстані = 3 см від його площини. Радіус контуру = 4 см, струм в контурі = 2 .

Розв’язок:

Виберемо елемент струму Idl .

В точці A він створює поле:

dB=μμ0I dl,r 4πr3

Всилу симетрії сумарний вектор B

спрямований вздовж осі x, а це означає, що для знаходження модуля

20