Лабораторна робота № 45 визначення індукції магнітного поля за допомогою терезів ампера

МЕТА РОБОТИ: ознайомитись з основними характеристиками і властивостями магнітного поля та на основі сили Ампера освоїти методику визначення індукції магнітного поля.

ПРИЛАДИ: терези Ампера, джерело струму, реостат, амперметр, постійний магніт.

1. Магнітне поле. Індукція магнітного поля . Силові лінії магнітного поля. Потік вектора індукції магнітного поля (магнітний потік).

З нерухомими електричними зарядами зв’язане електростатичне поле через яке і взаємодіють електричні заряди. Ця взаємодія описується законом Кулона. При відносному русі електричних зарядів появляється додаткова взаємодія, яка залежить від швидкості та напряму руху зарядів. Ця форма взаємодії отримала назву магнетизм, а поле ,яке здійснює таку взаємодію – магнітне поле.

Основні характеристики магнітного поля встановлюють по дії поля на контур (виток, рамку) зі струмом, що знаходиться в досліджуваному магнітному полі. Так, на контур зі струмом в магнітному полі діє момент сили М (контур може обертатись). Величина цього механічного моменту сили залежить від самого поля, орієнтації в ньому контура і пропорційна добутку сили струму І в контурі на його площу S. Тому доцільно ввести величину (45.1), яка називається магнітним моментом контуру зі струмом.

(45.1)

Магнітний момент – вектор, напрям якого визначається за правилом свердлика (правий гвинт). В магнітному полі існує така орієнтація контуру при якій момент сили, що діє на контур зі струмом приймає максимальне значення. Відношення (45.2) максимального моменту сили М_max , який діє зі сторони магнітного поля на вміщений в дане поле контур з струмом, до магнітного моменту контуру є силовою характеристикою поля і називається індукцією магнітного поля (позначається , формула 45.2).

(45.2)

Одиниця індукції 1 Тл (тесла, в честь американського інженера-електрика Н. Тесла). Як випливає з (54.2) 1Тл=1Hм/Ам²; тобто:

1 Тл індукція такого магнітного поля, в якому на контур з одиничним магнітним моментом (1 Ам²) діє максимальний механічний момент сили, рівний одиниці (1 Нм).

Індукція магнітного поля - векторна величина. Напрям вектора індукції магнітного поля визначається напрямом вектора магнітного моменту контуру зі струмом в положенні його стійкої рівноваги в магнітному полі.

Тобто, якщо дати можливість контуру зі струмом вільно обертатись в магнітному полі, то контур займе таке положення, при якому вектор магнітного моменту буде співпадати з вектором індукції даного магнітного поля.

Для графічного зображення магнітних полів застосовують метод силових ліній (ліній індукції). Силова лінія магнітного поля це така лінія, дотична до якої в кожній точці співпадає з вектором індукції поля.

Силові лінії магнітного поля замкнуті. Наприклад, силові лінії магнітного поля провідника зі струмом являють собою концентричні кола (рис. 45.2), напрям яких визначається за правилом свердлика (правий гвинт).

За допомогою силових ліній, по їх густоті можна визначити величину індукції магнітного поля. Для цього вводиться поняття потоку вектора індукції магнітного поля.

Так, якщо в однорідному магнітному полі індукцією В перпендикулярно до його силових ліній знаходиться плоский контур площею S (рис. 45.3), то величина (45.3) дає значення магнітного потоку через дану площу. При S = 1 м² Ф = В (чисельно), отже: через одиничну площадку орієнтовану перпендикулярно до силових ліній однорідного магнітного поля проводять таке число силових ліній, яке дорівнює індукції магнітного поля.

Магнітний потік вимірюється в Вб (вебер, 1 Вб = 1 Тлм²).

Ф=B·S (45.3)

Якщо контур орієнтований не перпендикулярно до силових ліній, то магнітний потік рівний (45.4), де  - кут між вектором індукції та нормаллю до поверхні контуру (рис. 45.4).

Ф=B S cos  (45.4)

У випадку неоднорідного магнітного поля і контура довільної форми (рис.45.5) магнітний потік через таку поверхню рівний інтегральній сумі (45.5) елементарних потоків dФ через елементарні поверхні dS, в межах яких поле можна вважати однорідним.

Якщо підрахувати магнітний потік через довільну замкнуту поверхню , то отримаємо вираз (45.6)

Дійсно, внаслідок замкнутості силових ліній магнітного поля число силових ліній, які входять в замкнуту поверхню , рівне числу силових ліній, які виходять з неї , і сумарний магнітний потік рівний нулю.

(45.5)

(45.6)

Вираз (45.6) є теоремою Гауса для магнітного поля і математично встановлює основну властивість всього магнетизму:

відсутні магнітні заряди, тобто немає частинок, які б окремо були північним або південним полюсом, немає частинок, з яких виходили або входили силові лінії магнітного поля.

В цьому полягає принципова різниця між електростатичним і магнітним полем. Нагадаємо, що “джерелом” електричного поля є електричні заряди і з них виходять або входять силові лінії електричного поля. Англійський фізик П. Дірак теоретично допустив існування особливих частинок, які назвали монополі – частинки з одним магнітним полюсом. Але поки що магнітні монополі експериментально не виявлені.