- История открытия правила Буравчика
- Определение
- Правило правой руки
- Правило левой руки
- Что определяет закон
- Сила Лоренца применение и формула
- Сила ампера – формула
- Специальные правила
- Для векторного произведения
- По циферблату часов
- Правила правой руки, для произведения векторов
- Для базисов
- Соотношение отрезков, абсцисс и ординат
- Для упорядоченного набора лучей
- Принцип для механического вращения
- Электродинамика и магнитостатика
- Для подвижного проводника
- Нахождение ЭДС по Максвеллу
- Правило правой и левой руки: применение на практике
- Применение правила правой руки для соленоида
- Примеры задач в физике электротехнике
- Задача № 1
- Задача № 2
- Задача № 3
- Задача № 4
- Определение магнитного поля
- Индукция магнитного поля, линии магнитной индукции
- Силовая характеристика магнитного поля
- Изображение магнитного поле
- Однородное магнитное поле
- Магнитное поле Земли
- Магнитные бури
- Магнитное поле тока
- Формула силы Лоренца при наличии магнитного и электрического полей
- В чём измеряется?
- Когда возникает?
- Особенности силы Лоренца
- Следствия свойств силы Лоренца
- Единицы измерения силы Лоренца
- Понятие напряженности электрического поля
История открытия правила Буравчика
В 19 веке была обнаружена связь между магнетизмом и электричеством. В то же время сформировалось представление о магнитном поле. Впервые его открыл датский физик Х. Эрстед.
После этого открытия ученые из разных стран провели многочисленные эксперименты, которые установили широкий спектр действия в полевых условиях, часто выходящих за рамки исследуемого объекта. Также было обнаружено его круговое вращение.
Впоследствии исследование перешло в сферу изучения вопроса: в каких направлениях действует магнетизм. Было обнаружено, что его влияние может быть разносторонним и варьируется в зависимости от расположения полюсов и сил, действующих на проводник.
По результатам экспериментов было обнаружено и формализовано правило левой и правой руки. Первый канон раскрывает направление сил, действующих на проводящий материал, а второй — направление магнитных линий.
Для полного отображения было принято специальное определение и другие обозначения. Поле отображается в виде концентрических линий. Чем чаще они располагаются друг относительно друга, тем больше напряженность действующего поля. Каждый из них оказывается замкнутым и не пересекается с соседними. Если вы знаете их направление, вы можете сказать, куда смотрит вектор магнитной индукции. Возможно и обратное действие, так как направление вектора будет соприкасаться с каждой точкой этих линий.
Проведенные эксперименты позволили сформулировать закон Буравчика. При вкручивании резьба будет двигаться по часовой стрелке, то есть вправо. Движение силовых линий магнитного поля осуществляется в том же направлении. Правило левой руки дополняет правило имбиря, устанавливая направление силы, действующей на электрический провод.
Определение
Строго говоря, правило подвеса — это мнемонический алгоритм, используемый для определения пространственного направления магнитной индукции в зависимости от ориентации электрического тока, возбуждающего магнитное поле.
Это правило можно сформулировать так: если кончик кардана (штопор, винт) направлен по вектору тока, ориентация линий магнитной индукции будет совпадать с направлением вращения ручки кардана в традиционном варианте этого инструмент (с правым винтом) 1
На рисунке 1 показана схема для простейшего случая: электрический ток течет по прямому участку проводника вдали от наблюдателя (синяя стрелка). Условный спин направлен своим заостренным концом по линии в направлении тока. Если представить себе поступательное движение буравчика по проводнику, направление линий, описываемых рукояткой штопора, будет совпадать с ориентацией магнитных линий электрического поля.
Правило правой руки
В электротехнике очень часто используется интерпретация подвеса для правой руки.
Действия можно сформулировать следующим образом: «Если отведенный в сторону большой палец правой руки поместить вдоль проводника так, чтобы он совпадал с направлением электрического тока, оставшиеся пальцы будут указывать направление силовых линий магнитного поля, образованных электрическое поле.
Сформулированные выше алгоритмы применимы и к соленоидам. Но разница в том, что в случае соленоида ручка кардана поворачивается так, что это движение совпадает с направлением токов в катушках, а продвижение винта кардана указывает на ориентацию вектора магнитной линии в соленоиде.
При использовании правой руки пальцы (условно) закрывают катушку, так что направление тока в катушках совпадает с пространственным расположением пальцев. Затем большой палец укажет направление вектора электромагнитных линий внутри катушки.
Нетрудно догадаться, что по этим правилам можно определить направление течения. Например, если магнитная стрелка используется для определения силы притяжения линий магнитной индукции, то, применяя правило карданного подвеса (как вариант его правой формулировки), легко определить, в каком направлении течет ток.
Правило левой руки
Если физические величины определяются по правилу левой руки, его ладонь находится в таком положении, что четыре пальца направлены вперед, а большой повернут в сторону. Прямые пальцы указывают в сторону текущего направления, а выступающий большой палец — в сторону стремления вектора приложенных усилий. В этом случае направление индукции входит и упирается в ладонь сверху под углом девяноста градусов.
Что определяет закон
По результатам многочисленных экспериментальных экспериментов было получено определение, которое впоследствии стало известно как правило левой руки. В нем соединились направления электрического тока и концентрические линии, а также влияние на проводящий материал напряженности магнитных полей. Живой пример показан на изображении, где хорошо видно взаимодействие физических компонентов. Направление силовых линий и рабочего магнитного поля не совпадают, их действие направлено в совершенно разные места.
Когда направленность электрического тока и проводника совмещена с линиями, силовое воздействие на проводящий материал в этом случае отсутствует. В результате этот постулат перестанет работать.
Сила Лоренца применение и формула
Действие электромагнитных полей приводит к появлению точечной заряженной частицы, на которую действуют силы электрического и магнитного характера. В комбинированном виде они называются силой Лоренца.
Следовательно, сила Лоренца действует на любую частицу с зарядом, падающую с определенной скоростью в магнитное поле. Степень влияния связана с электрическим зарядом частицы (q), индексом магнитной индукции (B) и скоростью падения частицы (V).
На основании данных голландского ученого Хендрика Лоренца была выведена формула: FL = | q | x V x B x sinα. Все символы показаны на рисунке.
На практике сила Лоренца применялась в следующих областях:
- ЭЛТ — это электронно-лучевые или телевизионные трубки. В этих устройствах летящие в направлении экрана электроны отклоняются магнитным полем, создаваемым специальными катушками.
- Масс-спектрографы. Определите массы заряженных частиц, разделив их по определенным зарядам. Вакуумная камера находится в магнитном поле. Заряженные частицы, ускоряясь, движутся по дуге и оставляют след на фотопластинке. На радиусе траектории сначала определяется удельный заряд, на основании которого рассчитывается масса частицы.
- Циклотрон. Ускоряйте заряженные частицы. Ускорение происходит под действием силы Лоренца, после чего траектория частиц сохраняется за счет магнитного поля. Аппарат давно используется в медицинских исследованиях с применением радионуклидных фармацевтических препаратов.
- Магнетрон. Мощная вакуумная лампа для генерации микроволн в результате взаимодействия электронного луча и магнитного поля. Используется с современными радиолокационными устройствами.
Сила ампера – формула
Сила Ампера действует непосредственно на проводник, переносимый током внутри поля. Очень кратко это выражается представленной формулой:
F = I x B x L x sinα, где F — сила Ампера, I — ток в проводнике, L — отрезок проводника под действием магнитного поля, α — угол между направлением тока и вектор магнитной индукции.
Сила Ампера принимает максимальное значение, когда угол α становится равным 90 градусам. Единица измерения — Ньютон (Н).
Определение направления силы Ампера выполняется с помощью правила левой руки. Ладонь смотрит вверх, четыре пальца направлены в сторону текущего вектора движения. Вектор магнитной индукции перпендикулярен ладони и входит в нее. Направление силы Ампера такое же, как у согнутого в сторону большого пальца.
Направление электрического тока принято считать движением от заряда с плюсом к заряду с минусом.
Специальные правила
Рассмотрим варианты основного правила подвеса для частных случаев. Применение таких правил часто упрощает процесс расчета.
Для векторного произведения
Расположите векторы так, чтобы их начальные точки совпадали. Для этой ситуации правило стабилизатора:
Если один из векторов множителей повернуть как можно короче, пока направления не совпадут со вторым вектором, винт, который вращается таким образом, будет закручен в направлении, в котором указывает перекрестное произведение.
По циферблату часов
При размещении векторов так, чтобы их начальные точки совпадали, вы можете определить направление созданного вектора с помощью стрелки по часовой стрелке. Для этого необходимо мысленно сдвинуть один из векторных факторов в сторону другого вектора кратчайшего пути. Итак, если вы посмотрите со стороны направления вращения этого вектора по часовой стрелке, осевой вектор будет направлен глубоко в квадрант.
Правила правой руки, для произведения векторов
Есть два варианта правила.
Первый вариант:
Если согнутые пальцы правой руки направлены к кратчайшему пути, чтобы выровнять векторный фактор с другим фактором (векторы выходят из той же точки), большой палец, отложенный в сторону, укажет направление осевого вектора.
Второй вариант:
Если правая ладонь расположена так, что большой палец совпадает с вектором первого фактора, а указательный палец совпадает со вторым, средний палец, отставленный в сторону, будет совпадать с направлением полученного вектора.
Для базисов
Вышеуказанные правила распространяются и на основания.
Когда вы поворачиваете ручку карданного подвеса и векторы так, чтобы первый базовый вектор по кратчайшему пути стремился ко второму, штопор будет закручен в направлении третьего базового вектора.
Эти правила универсальны. Их можно переписать для механики, чтобы определить векторы:
- механическое вращение (определение угловой скорости);
- момент приложенных сил;
- угловой момент.
Правила подвеса также применимы к уравнениям Максвелла, что увеличивает их универсальность.
Соотношение отрезков, абсцисс и ординат
Векторное соотношение двух сегментов, взаимодействующих в трехмерном пространстве, определяется лучом, расположенным перпендикулярно обоим исходным потокам. Длина произведения векторов равна величине площади параллелограмма между начальными отрезками. Направление этих двух лучей выбирается таким образом, чтобы три вектора, расположенные по порядку ансамблем, и результирующие сегменты были правильными. Результат умножения коллинеарных векторов устанавливается равным нулю, если один из них является отрезком с нулевым значением.
Чтобы найти произведение пространственных векторов, следует определить ориентацию сайта, то есть понять, какие три сегмента относятся к правой и левой позициям. В этом случае ссылка на систему координат не обязательна. При выбранной ориентации пространственной области результат произведения векторного умножения не зависит от левой или правой системы координат.
Формулы различаются знаком для нахождения координат произведения векторов лучей через ординаты и абсциссы начальных отрезков в левой и правой системе прямоугольной конструкции. Результат объединения векторов является антикоммутационным, поскольку, в отличие от скалярного результата, он в конечном итоге также имеет вектор.
Модуль произведения векторов также является результатом умножения модуля сегментов, если значения перпендикулярны друг другу. В случае коллинеарных лучей значение модуля стремится к нулю. Произведение векторов определено в физических и технических дополнениях. Например, момент момента и действие Лоренца вставляются в данные в соответствии с формой результата умножения элементов из набора векторов.
Для упорядоченного набора лучей
Все различные применимые правила винта или законы двух рук в электротехнике и физической инженерии не являются обязательными для использования, если направление характеристик электромагнитного поля может быть определено с помощью основных правил одновременно со знанием формул для расчета вектор отношения. Редко используемые правила характерны для частных случаев, когда их использование удобно для быстрого выявления элементарных показателей системы.
Правила для базы переписываются так:
- Основной закон. Если база содержит векторы, параллельные осям x, z, y, большой палец направлен вдоль первого вектора вдоль оси x. Первый индекс расположен параллельно второму сегменту по оси y, средний — по третьему лучу по оси z. После размещения оказывается, что комбинация векторов относится к расположению справа.
- Закон винта (кардана) для основания. Если вы поверните винт и векторы так, чтобы первый сегмент стремился ко второму по меньшей траектории, подвес покажет тенденцию третьего базового вектора (если он правильный) в зависимости от направления скручивания).
Подобные манипуляции расширяют возможности определения курса в координатном пространстве. Закон буравчика для основания может заменить общее правило виноградной лозы, правой руки и других. Для его использования у наблюдателя должно быть развито определенное пространственное воображение, так как необходимо мысленно вращать нарисованные векторы, пока они не совпадут с базой. Набор векторов может располагаться случайным образом.
Принцип для механического вращения
Сегмент вращения взаимно соотносится с вектором угловой скорости вращения и радиусом, начиная с фиксированной точки, доводится до нужного положения. Количество определяется как произведение векторов. Угловая скорость — это скорость, с которой материальный элемент вращается вокруг центра.
Угловая скорость выражается:
- по очереди в двумерной области пространства — по номеру;
- для трехмерного пространства — псевдовектор, компоненты которого трансформируются при переворачивании системы координат и меняют знак противоположный правилам поведения вектора при инверсии;
- в вариантах общего положения это антисимметричная величина, меняющая знак при изменении индексации.
Для определения модуля упругости сегмента используется правило винта и правой руки, которое фактически используется в случае нахождения перекрестного произведения. Иногда этого достаточно, но в реальном вращении законы формулируются запоминающимся и простым способом для поиска направлений:
- Закон буравчика. Если повернуть винт в направлении вращения острия, то он будет вкручен в направлении угловой скорости.
- Закон правой руки. Для этого берут тело правой рукой и вращают в направлении четырех пальцев, большой палец, находящийся под углом 90 °, покажет траекторию угловой скорости во время такого движения вокруг центра.
Для определения направления момента количества движения, которое изменяется прямо пропорционально угловому вращению (скорости) с положительным коэффициентом момента, применяются правила нахождения показателей механического кручения.
Электродинамика и магнитостатика
Магнитная индукция — это векторный фактор, характеризующий силовое поле. Значение показывает влияние магнитного фона на отрицательно и положительно заряженные частицы в рассматриваемом пространстве. Индукция определяет силу влияния поля на заряд, движущийся с заданной скоростью. В этом случае применяются следующие законы:
- Правило виноградной лозы. Если поступательное круговое движение кардана совпадает с направлением заряженных электронов в катушке, путь вращения рукоятки инструмента будет совпадать с ходом магнитного вектора полярной индукции, направление в этом случае зависит от силы тока.
- Принцип правой руки. Если вы возьмете стержень в правую руку так, чтобы палец, расположенный под прямым углом, показывал направление тока, другие пальцы будут соответствовать направлению луча магнитной индукции, создаваемого током. Путь вектора магнитной индукции размещен по касательной к линии отрезков.
Для подвижного проводника
Металлический стержень содержит большое количество свободных электронов, движение которых характеризуется хаотическим характером. Если катушка движется в электромагнитном силовом поле вдоль линий, фон отклоняет электроны, движущиеся одновременно с проводником. Их движение создает ЭДС (электродвижущую силу) и называется наведенной электромагнитной индукцией.
Под действием индукции заряженные частицы движутся и накапливаются на одном конце стержня, а электроны отсутствуют на другом. В результате такой ситуации возникает положительный заряд и возникает разность потенциалов, появляется электрическое напряжение.
Ток будет течь под действием разности потенциалов, когда такая катушка подключена к внешней цепи в замкнутой цепи. По мере того как стержень движется в направлении силовых линий, влияние поля на заряды сводится к нулю. Нет электродвижущей силы, напряжения, электронного тока.
ЭДС индукции равна произведению рабочего размера проводника, скорости движения стержня и величины магнитной индукции. Его направление устанавливается законом правой руки. Ладонь располагается таким образом, чтобы линии силового поля были направлены внутрь, а большой палец, согнутый под углом 90 °, располагался вдоль движения стержня. В этом положении четыре выпрямленных пальца покажут ход индукционного тока.
Нахождение ЭДС по Максвеллу
Электродвижущее давление будет создаваться на каждом пересечении стержня и силового поля. Результатом будет движение проводника, самого поля или изменение электромагнитных характеристик силового пространства.
ЭДС, получаемая в цепи при взаимодействии с переменным силовым полем, измеряется скоростью преобразования магнитного потока. Направление индуцированной движущей силы таково, что создаваемый ею электрический ток противоречит восстановлению магнитных потоков.
Изменение тока приводит к преобразованию создаваемого им магнитного потока. Проходя через пространство, магнитное излучение присоединяется к соседним проводникам и их собственным. В стержне индуцируется электродвижущая сила, что называется самоиндукцией. Явление означает поддержку тока, когда он уменьшается, и ослабление движения электронов, когда сила тока увеличивается.
Если вы вращаете подвес по закрученным траекториям пространства, где возникают векторы, его движение покажет направление вращения ротора. Это можно увидеть, если поместить четыре сжатых пальца правой руки по направлению вихря. В этом случае согнутый палец укажет путь движения ротора.
При увеличении значения магнитного потока большой палец, расположенный под прямым углом, будет показывать прямое движение потока силы через контурные линии. Если электромагнитное излучение уменьшается, палец будет указывать в противоположном направлении. Четыре согнутых пальца будут размещены по путям, противоположным направлению ЭДС в цепи.
Для вектора магнитной индукции правила подвеса совпадают с законом Ампера-Максвелла. Но скорость преобразования силового поля через эту конфигурацию добавляет к электрическому току в цепи, и магнитное поле воспринимается только в том случае, если оно движется внутри границы.
Применение правил левой руки:
- Ладонь располагается так, чтобы индукционные линии входили в центр внутренней стороны, а пальцы соответствовали направлению тока. Большой палец в стороны будет определять путь силы, которая оказывает давление на стержень со стороны силового поля. Мощность называется мощностью Ампера.
- Во втором варианте ладонь расположена так, что линии силового поля входят в плоскость руки под прямым углом, а пальцы находятся в направлении движения положительных электронов или в противоположном направлении по отношению к отрицательным частицам. Тогда палец под углом 90 ° укажет путь приложения силы Лоренца.
Винтовой принцип или закон Максвелла для правой руки используется для прямого стержня с током. Но в электротехнике есть много вариантов использования катушек, в которых проводник не прямой. Например, соленоид, в котором намотана проволочная обмотка.
Правило правой и левой руки: применение на практике
При рассмотрении применения этого закона давайте начнем с правила правой руки. Если вы знаете направление вектора магнитного поля, с помощью подвеса можно обойтись, не зная закона электромагнитной индукции. Представим, что винт движется по магнитному полю. Тогда направление тока будет «по проводу», то есть вправо.
Применение правила правой руки для соленоида
Обращаем внимание на управляемый постоянный магнит, аналогом которого является соленоид. Внутри это двухконтактная катушка. Известно, что ток меняется от «+» к «-». Основываясь на этой информации, берем соленоид в правую руку в таком положении, чтобы 4 пальца указывали направление тока. Затем вытянутый большой палец укажет вектор магнитного поля.
Применение правила правой руки к соленоиду
Примеры задач в физике электротехнике
В качестве примера будут рассмотрены проблемы, связанные с силой Ампера. Примеры решений конкретны, но сам способ решения довольно прост.
Задача № 1
Исходные данные для исполнения: длина проводника 20 см, ток в нем 300 мА, угол между проводником и вектором магнитной индукции 45 °. Интенсивность магнитной индукции 0,5 Тл.
необходимо найти силу однородного магнитного поля, действующего на проводник.
Решение: нужно применить базовую формулу — Fa = B x I x L x sinα. Подставляя необходимые значения, получаем: Fa = 0,5 T x 0,3 A x 0,2 mx (√2 / 2) = 0,03 Н.
Задача № 2
Исходные данные для решения: проводник помещен в магнитное поле, индукция которого составляет 10 Тл. Напряженность магнитного поля перпендикулярна проводнику и составляет 20 Н. Сила тока, протекающего в проводнике, составляет 5А.
Вы хотите рассчитать длину сегмента провода.
Решение: взять за основу формулу Fa = B x I x L x sinα. Длина проводника определяется следующим образом: L = Fa / (B x I x sinα). Поскольку sinα = 1, получаем: L = Fa / (B x I). Осталось заменить требуемые значения и получить результат: L = 20H / (10T x 5A) = 0,4 м.
Аналогичные проблемы возникают при использовании силы Лоренца. Рассмотрим два примера, которые можно решить просто и понятно.
Задача № 3
Исходные данные для исполнения: в магнитном поле с индукцией 0,3 Тл заряд 0,005 Кл движется со скоростью 200 м / с. Угол между направлением заряда и вектором магнитной индукции составляет 45º.
Определяется: модуль силы, действующей на заряд.
Решение: используйте базовую формулу FL = | q | x V x B x sinα. Подставляя исходные данные, получаем: FL = 0,005Kl x 200 м / сx 0,3T x sin 45o = (0,3 x √2) / 2 = 0,21H.
Задача № 4
Исходные данные для решения: заряженная частица размером 0,5 мКл движется в магнитном поле с индукцией 2 Тл. Сила, действующая на заряд со стороны магнитного поля, составляет 32 Н. Направление движения частицы и вектор магнитного поля находится под углом 90º.
необходимо определить: скорость движения заряженной частицы.
Решение: изначально берем формулу FL = | q | x V x B x sinα. Поскольку sinα = 1, он принимает следующий вид: FL = | q | x V x B. Для определения скорости необходимо: V = FL / (| q | x B). Осталось вставить исходные данные: V = 32H / (5 * 10-4Kl x 2T) = 32000 м / с.
Определение магнитного поля
Изучая электрические явления в восьмом классе, вы узнали, что в космосе рядом с заряженным телом существует поле, называемое электрическим, и именно через это поле осуществляется электрическое взаимодействие между заряженными телами и частицами.
Также существует поле около намагниченного тела и около проводника с током — оно называется магнитным. Магнитное взаимодействие происходит с определенной скоростью посредством магнитного поля (первым к такому выводу пришел английский физик Майкл Фарадей (1791-1867)).
Рис. 1.3. Катушки тока ведут себя как постоянные магниты
Рассмотрим взаимодействие постоянного магнита и катушки с током (рис. 1.3, б). Катушка тока создает магнитное поле. Магнитное поле распространяется в пространстве и начинает действовать на постоянный магнит (намагниченное тело) — магнит отклоняется. Магнит также создает собственное магнитное поле, которое, в свою очередь, воздействует на катушку током — и катушка также отклоняется.
Обратите внимание, что магнитное поле также существует вокруг любой заряженной движущейся частицы и любого заряженного движущегося тела и действует с некоторой силой на заряженные тела и частицы, движущиеся в этом магнитном поле.
Примечание: мы не можем видеть магнитное поле, но в то же время, как и электрическое поле, оно абсолютно реально — это форма материи.
Магнитное поле — это форма материи, которая существует вокруг намагниченных тел, проводников с током, заряженных тел и частиц в движении и действует на другие намагниченные тела, проводники с током, заряженные тела в движении и частицы, находящиеся в этом поле.
Подводя итоги:
Тела, которые долго сохраняют свои магнитные свойства, называются постоянными магнитами. Основные свойства постоянных магнитов: 1) магнитное действие магнита сильнее выражено вблизи его полюсов; 2) как полюса магнитов отталкиваются друг от друга, в отличие от полюсов, которые они притягивают; получить магнит только с одним полюсом невозможно; 3) при нагревании постоянного магнита до определенной температуры (точки Кюри) его магнитные свойства исчезают.
Магнитное взаимодействие происходит посредством магнитного поля. Магнитное поле — это форма материи, которая существует рядом с намагниченными телами, проводниками с током, заряженными телами и частицами в движении и действует на намагниченные тела, находящиеся в этом поле, проводники с током, заряженные тела и движущиеся частицы.
Индукция магнитного поля, линии магнитной индукции
Мы не можем видеть магнитное поле, однако для лучшего понимания магнитных явлений важно научиться его изображать. В этом помогут магнитные стрелки. Каждая из этих стрелок представляет собой небольшой постоянный магнит, который легко вращается в горизонтальной плоскости (рис. 2.1). Из этого абзаца вы узнаете, как графически представлено магнитное поле и какая физическая величина его характеризует.
Рис. 2.1. Магнитная стрелка — это постоянный магнит. Пунктирной линией обозначена ось магнитной стрелки
Силовая характеристика магнитного поля
Если заряженная частица движется в магнитном поле, поле будет действовать на частицу с некоторой силой. Величина этой силы зависит от заряда частицы, от направления и величины скорости ее движения, а также от того, насколько сильным является поле.
Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция.
Магнитная индукция (индукция магнитного поля) — это векторная физическая величина, характеризующая вынужденное действие магнитного поля.
Магнитная индукция обозначается символом
Единица измерения магнитной индукции в системе СИ — тесла; назван в честь сербского физика Николы Тесла (1856-1943):
Рис. 2.2. В магнитном поле магнитные стрелки ориентированы определенным образом: северный полюс стрелки указывает направление вектора магнитной индукции в данной точке
Направление вектора магнитной индукции в данной точке магнитного поля принимается за направление, указанное северным полюсом магнитной стрелки, установленной в этой точке (рис. 2.2).
Примечание! Направление силы, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы или на проводник с током, или на магнитную стрелку, не совпадает с направлением вектора магнитной индукции.
Как выразить 1 Тл в других единицах СИ, по какой формуле можно определить модуль магнитной индукции, какова сила, с которой магнитное поле действует на проводник с постоянным током.
Магнитные линии:
- вне магнита они выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс;
- всегда замкнут (магнитное поле — вихревое поле);
- более плотно расположен у полюсов магнита;
- никогда не пересекаться
Рис. 2.3. Силовые линии магнитного поля магнитной полосы
Изображение магнитного поле
На рис. 2.2 мы видим, как магнитные стрелки ориентированы в магнитном поле: их оси кажутся образующими линии, а вектор магнитной индукции в каждой точке направлен по касательной к линии, проходящей через эту точку.
Условные прямые линии, в каждой точке которых касательная совпадает с линией, вдоль которой направлен вектор магнитной индукции, называются линиями магнитной индукции или магнитными линиями.
Магнитные поля изображаются графически с помощью магнитных линий:
- направление линии магнитной индукции в данной точке принимается за направление вектора магнитной индукции;
- чем больше модуль магнитной индукции, тем ближе друг к другу магнитные линии.
Рассматривая графическое изображение магнитного поля магнитной полосы, можно сделать некоторые выводы (см. Рис. 2.3). Обратите внимание, что эти выводы применимы к магнитным линиям любого магнита.
Рисунок магнитных линий можно воспроизвести с помощью железных опилок. Возьмите подковообразный магнит, наденьте на него пластину из оргстекла и через дуршлаг на нее положите железные опилки. В магнитном поле каждый кусок железа намагнитится и превратится в маленькую «магнитную стрелу». Импровизированные «стрелки» будут ориентироваться вдоль магнитных линий магнитного поля магнита (рис. 2.4).
Рис. 2.4. Цепочки из железных опилок воспроизводят рисунок линий магнитной индукции магнитного поля подковообразного магнита
Рис. 2.5. Область, где магнитное поле однородно
Однородное магнитное поле
Магнитное поле в части пространства называется однородным, если в каждой точке векторы магнитной индукции одинаковы как по величине, так и по направлению (рис. 2.5).
Рис. 2.6. Магнитное поле внутри магнитной полосы (а) и между двумя обращенными друг к другу магнитами с противоположными полюсами (б) можно считать однородным
В областях, где магнитное поле однородно, линии магнитной индукции параллельны и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга (рис. 2.5, 2.6). Магнитные линии однородного магнитного поля, направленные на нас, принято изображать точками (рис. 2.7, а) — мы как бы видим летящие к нам «наконечники стрел». Если магнитные линии направлены от нас, то они изображаются крестиками: мы как бы видим летящие к нам «перья стрел» (рис. 2.7, б).
В большинстве случаев мы имеем дело с неоднородным магнитным полем — полем, в разных точках которого векторы магнитной индукции имеют разные значения и направления. Магнитные линии такого поля искривлены, а их плотность разная.
Рис. 2.7. Изображение линий магнитной индукции однородного магнитного поля, которые перпендикулярны плоскости рисунка и направлены к нам (а); направлен прочь от нас (б)
Магнитное поле Земли
Для изучения земного магнетизма Уильям Гильберт сделал постоянный магнит в форме шара (модель Земли). Подставив компас на шар, он заметил, что стрелка компаса ведет себя так же, как и поверхность земли.
Эксперименты позволили ученому предположить, что Земля представляет собой огромный магнит, а ее южный магнитный полюс находится на севере нашей планеты. Дальнейшие исследования подтвердили гипотезу В. Гильберта.
На рис. 2.8 показано изображение линий магнитной индукции магнитного поля Земли.
Рис. 2.8. Расположение магнитных линий магнитного поля планеты Земля
Линии магнитной индукции магнитного поля Земли не параллельны ее поверхности. Если закрепить магнитную стрелку в подвесе, т.е так, чтобы она могла свободно вращаться как вокруг горизонтальной оси, так и вокруг вертикальной оси, стрелка будет расположена под углом к поверхности земли (рис. 2.9).
Рис. 2.9. Магнитная стрелка в подвесе
Магнитное поле Земли издавна помогало ориентироваться путешественникам, морякам, военным и другим людям. Было показано, что рыбы, морские млекопитающие и птицы во время своих миграций движутся под действием магнитного поля Земли. Некоторые животные, например кошки, так же находят дорогу домой
Магнитные бури
Исследования показали, что в любом месте магнитное поле Земли меняется периодически, каждый день. Кроме того, есть небольшие ежегодные изменения магнитного поля Земли. Однако в нем есть и резкие изменения. Сильные возмущения магнитного поля Земли, которые охватывают всю планету и длятся от одного до нескольких дней, называются магнитными бурями. Здоровые люди их практически не ощущают, но у тех, у кого есть сердечно-сосудистые заболевания и заболевания нервной системы, магнитные бури вызывают ухудшение самочувствия.
Магнитное поле Земли — это своего рода «щит», который защищает нашу планету от заряженных частиц, летящих из космоса, в основном от Солнца («солнечный ветер»). Вблизи магнитных полюсов потоки частиц летают довольно близко к атмосфере Земли. С увеличением солнечной активности космические частицы попадают в верхние слои атмосферы и ионизируют молекулы газа: на Земле наблюдаются полярные сияния (рис. 2.10).
Рис. 2.10. С увеличением солнечной активности площадь темных пятен на Солнце увеличивается (а) и на Земле возникают магнитные бури и полярные сияния (б)
Подводя итоги:
Магнитная индукция
это векторная физическая величина, характеризующая силовое воздействие магнитного поля. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки. В системе СИ единица измерения магнитной индукции — тесла (Тл).
Условные прямые линии, в каждой точке которых касательная совпадает с линией, вдоль которой направлен вектор магнитной индукции, называются линиями магнитной индукции или магнитными линиями.
Линии магнитной индукции всегда замкнуты, на внешней стороне магнита они выходят из северного полюса магнита и входят в южный, они более плотно расположены в тех областях магнитного поля, где модуль магнитной индукции больше.
Планета Земля имеет магнитное поле. Рядом с северным географическим полюсом Земли находится ее южный магнитный полюс, возле южного географического полюса — северный магнитный полюс.
Магнитное поле тока
Вы уже знаете, что рядом с проводником с током есть магнитное поле. Исследуем магнитное поле прямого проводника с током. Для этого пропускаем кондуктор через лист картона (перпендикулярно листу), насыпаем на картон железные опилки и замыкаем цепь. В магнитном поле проводника опилки будут намагничиваться и воссоздавать изображение линий магнитной индукции магнитного поля прямолинейного проводника с токами — концентрических окружностей, охватывающих проводник (см. Рис. 3.1). Как определить направление магнитных линий?
Формула силы Лоренца при наличии магнитного и электрического полей
Рассмотрим случай, когда заряженная частица движется одновременно в двух полях (электрическом и магнитном), поэтому на заряд будут действовать две составляющие
Поскольку эта формула была получена от Лоренца, ее еще называют именем ученого-физика.
В чём измеряется?
Величина силы Лоренца в международной системе СИ равна Ньютону (Н). Конечно, величина силы Лоренца настолько мала по сравнению с Ньютоном, что записывается как K × 10-n N, где 0
Когда возникает?
Магнитные поля не реагируют на стационарный электрический заряд, так же как сила Ампера не действует на обесточенный проводник.
Для возникновения силы Лоренца необходимо выполнение трех условий:
- Частица должна иметь отрицательный или положительный заряд.
- Заряженная частица должна находиться в магнитном поле.
- Частица должна находиться в движении, т.е вектор v ≠ 0.
Если хотя бы одно из условий не выполняется, сила Лоренца не возникает.
Особенности силы Лоренца
Поскольку сила Лоренца — это сила, действующая на заряд, движущийся в магнитном поле, ее значение зависит от всех трех величин: от величины заряда, от скорости и от индукции магнитного поля:
Однако в формулу входит еще один параметр: угол $ alpha $, который характеризует направление силы Лоренца. Это угол между направлением движения носителя заряда (вектор его скорости) и вектором магнитной индукции.
Дело в том, что, в отличие от многих других сил, направление силы Лоренца не совпадает ни с направлением движения носителя заряда, ни с направлением на источник магнитного поля, а его возникновение зависит от взаимного направления сил магнитное поле и скорость заряда. Сила Лоренца перпендикулярна плоскости, образованной векторами магнитной индукции и скоростью заряда.
Отметим, что если направление движения заряда и направление линий магнитной индукции совпадают, угол $ alpha $ равен нулю и сила Лоренца отсутствует.
Следствия свойств силы Лоренца
Поскольку сила Лоренца всегда направлена перпендикулярно направлению скорости заряда, ее работа на частицу равна нулю. Оказывается, воздействие на заряженную частицу с помощью постоянного магнитного поля не может изменить ее энергию.
Если магнитное поле однородно и направлено перпендикулярно скорости движения заряженной частицы, то заряд под действием силы Лоренца будет двигаться по окружности радиуса R = const в плоскости, перпендикулярной вектору магнитной индукции. В этом случае радиус круга равен:
где m — масса частицы, | q | — модуль заряда частицы, $ gamma = frac {1} { sqrt {1- frac {v ^ {2}} {c ^ {2}}}} $ — релятивистский множитель Лоренца, c — скорость света в вакууме.
Сила Лоренца — центростремительная сила. В направлении отклонения элементарной заряженной частицы в магнитном поле делается вывод о ее знаке (рис. 2).
Единицы измерения силы Лоренца
Как и большинство других физических величин, которые действуют на тело и изменяют его состояние, оно измеряется в ньютонах и обозначается буквой N.
Понятие напряженности электрического поля
Электромагнитное поле фактически состоит из двух половин: электрической и магнитной. Это точно близнецы, у которых все одинаково, но характер у них другой. А если присмотреться, можно заметить небольшие отличия во внешнем виде.
То же самое и с силовыми полями. Электрическое поле также имеет напряженность — векторную величину, которая является характеристикой мощности. Он воздействует на неподвижные в нем частицы. Сама по себе это не сила Лоренца, ее нужно учитывать только при расчете воздействия на частицу в присутствии электрического и магнитного полей.