Магнітне поле у ​​прямолінійному провіднику. Магніти та магнітне поле провідника зі струмом

Магнітами називаються тіла, які мають властивість притягувати залізні предмети. Проявляється магнітами властивість тяжіння називається магнетизмом. Магніти бувають природними та штучними. Залізні руди, що здобуваються, мають властивість тяжіння, називаються природними магнітами, а намагнічені шматки металу - штучними магнітами, які часто називають постійними магнітами.

Властивості магніту притягувати залізні предмети найбільше виявляються з його кінцях, які називаються магнітними полюсами і, чи навіть полюсами. Кожен магніт має два полюси: північний (N – норд) та південний (S-зюйд). Лінія, що проходить через середину магніту, називається нейтральною лінією, або нейтраллю, так як по цій лінії не виявляється магнітних властивостей.

Постійні магніти утворюють магнітне поле, в якому діють магнітні сили у певних напрямках, які називаються силовими лініями. Силові лінії виходять із північного полюса і входять до південного.

Електричний струм, що проходить провідником, також утворює навколо провідника магнітне поле. Встановлено, що магнітні явища нерозривно пов'язані з струмом.

Магнітні силові лініїрозташовуються навколо провідника зі струмом по колу, центром яких є сам провідник, причому ближче до провідника вони розташовуються густіше, а далі від провідника - рідше. Розташування магнітних силових ліній навколо провідника зі струмом залежить від форми поперечного перерізу.

Для визначення напрямку силових ліній користуються правилом свердла, яке формулюється так: якщо вкручувати свердлик за напрямком струму в провіднику, то обертання рукоятки свердлапокаже напрямок магнітних силових ліній.

Магнітне поле прямого провідника являє собою ряд концентричних кіл (рис. 157, а).Для посилення магнітного поля у провіднику останній виготовляють у вигляді котушки (рис. 157, б).

якщо напрямок обертання рукоятки буравчика збігається з напрямком електричного струму в витках котушки, поступальний рух буравчика спрямований у бік північного полюса.


Магнітне поле котушки зі струмом аналогічне до поля постійного магніту, тому котушка зі струмом (соленоїд) має всі властивості магніту.

Тут також напрямок магнітних силових ліній навколо кожного витка котушки визначається правилом свердла. Силові лінії сусідніх витків складаються, посилюючи загальне магнітне поле котушки. Як випливає з рис. 158 силові лінії магнітного поля котушки виходять з одного кінця і входять в інший, замикаючись всередині котушки. Котушка, як і постійні магніти, має полярність (південний та північний полюси), яка також визначається за правилом буравчика, якщо викласти його так: якщо напрямок обертання рукоятки буравчика збігається з напрямком електричного струму в витках котушки, поступальний рух буравчика спрямований у бік північного полюса.

Для характеристики магнітного поля з кількісної сторони запроваджено поняття магнітної індукції.

Магнітною індукцією називається кількість магнітних силових ліній, що припадають на 1 см 2 (або 1 м 2) поверхні, перпендикулярної до напрямку силових ліній. У системі СІ магнітна індукція вимірюється в теслах (скорочено Т) і позначається буквою У(тесла = вебер/м2 = вольт секунда/м2

Вебер - одиниця виміру магнітного потоку.

Магнітне поле можна посилити, якщо вставити в котушку залізний стрижень (сердечник). Наявність залізного сердечника посилює поле, оскільки, перебуваючи в магнітному оле котушки, залізний сердечник намагнічується, створює своє поле, яке складається з початковим і посилюється. Такий пристрій називається електромагнітом.

Загальна кількість силових ліній, що проходять через переріз сердечника, називається магнітним потоком. Величина магнітного потоку електромагніта залежить від струму, що проходить по котушці (обмотці), числа сітків і опору магнітного ланцюга.

Магнітним ланцюгом, або магіїтопроводом, називається шлях, яким замикаються магнітні силові лінії. Магнітний опір магнітопроводу залежить від магнітної проникності середовища, по якому проходять силові лінії, довжини цих ліній та поперечного перерізу сердечника.

Добуток струму, що проходить по обмотці, на число її витків носить назву магніторушійної сили (м. д. с). Магнітний потік дорівнює магніторушійній силі, поділеній на магнітний опір ланцюга- так формулюється закон Ома для магнітного кола. Так як число витків і магнітний опір для даного електромагніту - постійні величини, магнітний потік електромагніта можна змінювати, регулюючи струм в його обмотці.

Електромагніти знаходять найширше застосування в різних машинах та приладах (в електромашинах, електричних дзвінках, телефонах, вимірювальних приладах тощо).

Якщо до прямолінійного провідника з електричним струмом піднести магнітну стрілку, то вона буде прагнути стати перпендикулярно до площини, що проходить через вісь провідника і центр обертання стрілки. Це свідчить про те, що у стрілку діють особливі сили, які називаються магнітними силами. Крім дії на магнітну стрілку, магнітне поле впливає на заряджені частинки, що рухаються, і на провідники зі струмом, що знаходяться в магнітному полі. У провідниках, які у магнітному полі, чи нерухомих провідниках, що у змінному магнітному полі, виникає індуктивна э. д. с.

Відповідно до вищесказаного ми можемо дати таке визначення магнітного поля.

Магнітним полем називається одна з двох сторін електромагнітного поля, що збуджується електричними зарядами частинок, що рухаються, і зміною електричного поля і характеризується силовим впливом на рухомі заряджені частинки, а отже, і на електричні струми.

Якщо просмикнути через картон товстий провідник і пропустити по ньому електричний струм, то сталева тирса, насипана на картон, розташуються навколо провідника по концентричних кіл, що є в даному випадку так звані магнітні індукційні лінії (фіг. 78). Ми можемо пересувати картон вгору або вниз по провіднику, але розташування сталевої тирси не зміниться. Отже, магнітне поле виникає навколо провідника по всій його довжині.

Якщо на картон поставити маленькі магнітні стрілки, то, змінюючи напрямок струму у провіднику, можна побачити, що магнітні стрілки повертаються (фіг. 79). Це показує, що напрямок магнітних індукційних ліній змінюється зі зміною напряму струму у провіднику.

Магнітні індукційні лінії навколо провідника зі струмом мають такі властивості: 1) магнітні індукційні лінії прямолінійного провідника мають форму концентричних кіл; 2) чим ближче до провідника, тим частіше розташовуються магнітні індукційні лінії; 3) магнітна індукція (інтенсивність поля) залежить від величини струму у провіднику; 4) напрямок магнітних індукційних ліній залежить від напрямку струму у провіднику.

Напрямок магнітних індукційних ліній навколо провідника зі струмом можна визначити за «правилом буравчика:». Якщо буравчик (штопор) з правим різьбленням рухатиметься поступово у напрямку струму, то напрям обертання ручки збігатиметься з напрямком магнітних індукційних ліній навколо провідника (фіг. 81),

Магнітна стрілка, внесена в поле провідника зі струмом, розташовується вздовж індукційних магнітних ліній. Тому визначення її розташування можна також скористатися «правилом буравчика» (фіг. 82). Магнітне поле є одним із найважливіших проявів електричного струму і не може бути

Отримано незалежно та окремо від струму. Магнітне поле характеризується вектором магнітної індукції, який має, отже, певну величину та певний напрямок у просторі.

Кількісне вираження для магніті індукції в результаті узагальнення дослідних даних було встановлено Біо та Саваром (фіг. 83). Вимірюючи за відхиленням магнітної стрілки магнітні поля електричних струмів різної величини і форми, обидва вчених дійшли висновку, що кожен елемент струму створює на деякій відстані від себе магнітне поле, магнітна індукція якого АВ прямо пропорційна довжині А1 цього елемента, величині струму, що протікає, синусу кута а між напрямком струму і радіусом-вектором, що з'єднує цікаву для нас точку поля з даним елементом струму, і обернено пропорційна квадрату довжини цього радіуса-вектора r:

генрі (гн)-одиниця індуктивності; 1 гн = 1 ом сек.

- відносна магнітна проникність - безрозмірний коефіцієнт, що показує, у скільки разів магнітна проникність даного матеріалу більша за магнітну проникність порожнечі. Розмір магнітної індукції можна знайти за формулою

вольт-секунда інакше називається вебером (вб):

Насправді зустрічається більш дрібна одиниця магнітної індукції-гаус (гс):

Закон Біо та Савара дозволяє обчислити магнітну індукцію нескінченно довгого прямолінійного провідника:

де-відстань від провідника до точки, де визначається

Магнітна індукція. Ставлення магнітної індукції до твору магнітних проникностей називається напруженістю магнітного поля та позначається буквою Н:

Останнє рівняння пов'язує дві магнітні величини: індукцію та напруженість магнітного поля. Знайдемо розмірність Н:

Іноді користуються іншою одиницею напруженості – ерстедом (ер):

1 ер = 79,6 а/м = 0,796 а/див.

Напруженість магнітного поля Н, як і магнітна індукція, є векторною величиною.

Лінія, що стосується кожної точки якої збігається з напрямом вектора магнітної індукції, називається лінією магнітної індукції або магнітною індукційною лінією.

Твір магнітної індукції на величину майданчика, перпендикулярної до напрямку поля (вектору магнітної індукції), називається потоком вектора магнітної індукції або просто магнітним потоком і позначається буквою Ф:

Розмірність магнітного потоку:

тобто магнітний потік вимірюється у вольт-секундах або веберах. Більш дрібною одиницею магнітного потоку є максвел (мкс):

1 вб = 108 мкс. 1 мкс = 1 г см2.

Якщо до прямолінійного провідника зі струмом піднести магнітну стрілку, то вона буде прагнути стати перпендикулярно до площини, що проходить через вісь провідника і центр обертання стрілки (рис. 67). Це свідчить про те, що у стрілку діють особливі сили, які називаються магнітними. Іншими словами, якщо провідником проходить електричний струм, то навколо провідника виникає магнітне поле. Магнітне поле можна розглядати як особливий стан простору, що оточує провідники зі струмом.

Якщо просмикнути через карту товстий провідник і пропустити по ньому електричний струм, то сталева тирса, насипана на картон, розташуються навколо провідника по концентричних кіл, що є в даному випадку так звані магнітні лінії (рис. 68). Ми можемо пересувати картон вгору або вниз по провіднику, але розташування сталевої тирси не зміниться. Отже, магнітне поле виникає навколо провідника по всій його довжині.

Якщо на картон поставити маленькі магнітні стрілки, то, змінюючи напрямок струму у провіднику, можна побачити, що магнітні стрілки повертаються (рис. 69). Це показує, що напрямок магнітних ліній змінюється зі зміною напрямку струму у провіднику.

Магнітне поле навколо провідника зі струмом має такі особливості: магнітні лінії прямолінійного провідника мають форму концентричних кіл; чим ближче до провідника, тим щільніше розташовуються магнітні лінії, тим більша магнітна індукція; магнітна індукція (інтенсивність поля) залежить від величини струму у провіднику; напрямок магнітних ліній залежить від напрямку струму у провіднику.

Щоб показати напрямок струму у провіднику, зображеному в розрізі, прийнято умовне позначення, яким ми надалі користуватимемося. Якщо подумки помістити у провіднику стрілу у напрямку струму (рис. 70), то провіднику, струм у якому спрямований від нас, побачимо хвіст оперення стріли (хрестик); якщо струм направлений до нас, побачимо вістря стріли (точку).

Напрямок магнітних ліній навколо провідника зі струмом можна визначити за "правилом буравчика". Якщо буравчик (штопор) з правим різьбленням рухатиметься поступово за напрямом струму, то напрям обертання ручки збігатиметься з напрямком магнітних ліній навколо провідника (рис. 71).


Мал. 71. Визначення напрямку магнітних ліній навколо провідника зі струмом за "правилом буравчика"

Магнітна стрілка, внесена в поле провідника зі струмом, розташовується вздовж магнітних ліній. Тому визначення її розташування можна також скористатися " правилом буравчика " (рис. 72).


Мал. 72. Визначення напрямку відхилення магнітної стрілки, піднесеної до провідника зі струмом, за "правилом буравчика"

Магнітне поле є одним із найважливіших проявів електричного струму і не може бути отримано незалежно та окремо від струму.

У постійних магнітах магнітне поле також викликається рухом електронів, що входять до складу атомів та молекул магніту.

Інтенсивність магнітного поля в кожній його точці визначається величиною магнітної індукції, яку прийнято позначати буквою В. Магнітна індукція є векторною величиною, тобто вона характеризується не лише певним значенням, а й певним напрямом у кожній точці магнітного поля. Напрямок вектора магнітної індукції збігається з дотичною до магнітної лінії даної точки поля (рис. 73).

В результаті узагальнення дослідних даних французькі вчені Біо та Савар встановили, що магнітна індукція В (інтенсивність магнітного поля) на відстані r від нескінченно довгого прямолінійного провідника зі струмом визначається виразом


де r - радіус кола, проведеного через розглянуту точку поля; центр кола знаходиться на осі провідника (2πr – довжина кола);

I - величина струму, що протікає по провіднику.

Величина μ а, що характеризує магнітні властивості середовища, називається абсолютною магнітною проникністю середовища.

Для порожнечі абсолютна магнітна проникність має мінімальне значення і прийнято позначати μ 0 і називати абсолютною магнітною проникністю порожнечі.


1 гн = 1 ом⋅сек.

Відношення μ а / μ 0 показує, у скільки разів абсолютна магнітна проникність даного середовища більша за абсолютну магнітну проникність порожнечі, називається відносною магнітною проникністю і позначається буквою μ.

У Міжнародній системі одиниць (СІ) прийняті одиниці виміру магнітної індукції - тесла або вебер на квадратний метр (тл, вб/м 2).

В інженерній практиці магнітну індукцію прийнято вимірювати у гаусах (гс): 1 тл = 104 гс.

Якщо у всіх точках магнітного поля вектора магнітної індукції рівні за величиною та паралельні один одному, то таке поле називається однорідним.

Твір магнітної індукції на величину майданчика S, перпендикулярній напрямку поля (вектору магнітної індукції), називається потоком вектора магнітної індукції, або просто магнітним потоком, і позначається буквою Φ (рис. 74):

У Міжнародній системі як одиниця виміру магнітного потоку прийнятий вебер (вб).

В інженерних розрахунках магнітний потік вимірюють у максвелах (мкс):

1 вб = 108 мкс.

При розрахунках магнітних полів користуються також величиною, яка називається напруженістю магнітного поля (позначається Н). Магнітна індукція і напруженість магнітного поля Н пов'язані співвідношенням

Одиниця виміру напруженості магнітного поля Н – ампер на метр (а/м).

Напруженість магнітного поля в однорідному середовищі, так само як і магнітна індукція, залежить від величини струму, числа та форми провідників, якими проходить струм. Але на відміну магнітної індукції напруженість магнітного поля не враховує впливу магнітних властивостей середовища.

При проходженні струму прямолінійним провідником навколо нього виникає магнітне поле (рис. 26). Магнітні силові лінії цього поля розташовуються по концентричних кіл, в центрі яких знаходиться провідник зі струмом.

Н
керування магнітних силових ліній можна визначити за правилом свердловина. Якщо поступальний рух буравчика (Рис. 27) поєднати з напрямом струму у провіднику, то обертання його рукоятки вкаже напрямок силових ліній магнітного поля навколо провідника.Чим більше струм, що проходить по провіднику, тим сильніше магнітне поле, що виникає навколо нього. При зміні напрямку струму магнітне поле змінює свій напрямок.

У міру віддалення від провідника магнітні силові лінії розташовуються рідше.

Методи посилення магнітних полів.Для отримання сильних магнітних полів при невеликих струмах зазвичай збільшують число провідників зі струмом та виконують їх у вигляді ряду витків; такий пристрій називають котушкою.

При провіднику, зігнутому у вигляді витка (рис. 28,а), магнітні поля, утворені всіма ділянками цього провідника, будуть усередині витка мати однаковий напрямок. Тому інтенсивність магнітного поля всередині витка буде більшою, ніж навколо прямолінійного провідника. При об'єднанні витків у котушку магнітні поля, з
створені окремими витками, складаються (рис. 28,б) та їх силові лінії з'єднуються в загальний магнітний потік. При цьому концентрація силових ліній усередині котушки зростає, тобто магнітне поле усередині неї посилюється. Чим більше струм, що проходить через котушку, і чим більше в ній витків, тим сильніше магнітне поле, що створюється котушкою.

Котушка, обтічна струмом, є штучним електричним магнітом. Для посилення магнітного поля всередину котушки вставляють сталевий сердечник; такий пристрій називається електромагнітом.

Про

визначити напрямок магнітного поля, створюваного витком або котушкою, можна також за допомогою правої руки (рис.29) і свердла (рис. 30).

18. Магнітні властивості різних речовин.

Всі речовини в залежності від магнітних властивостей ділять на три групи: феромагнітні, парамагнітні та діамагнітні.

До феромагнітних матеріалів відносять залізо, кобальт, нікель та їх сплави. Вони мають високу магнітну проникність µ і добре притягуються до магнітів та електромагнітів.

До парамагнітних матеріалів відносять алюміній, олово, хром, марганець, платину, вольфрам, розчини солей заліза та ін. Парамагнітні матеріали притягуються до магнітів та електромагнітів у багато разів слабші, ніж феромагнітні матеріали.

Діамагнітні матеріали до магнітів не притягуються, а навпаки, відштовхуються. До них відносять мідь, срібло, золото, свинець, цинк, смолу, воду, більшу частину газів, повітря та ін.

Магнітні властивості феромагнітних матеріалів.Феромагнітні матеріали завдяки їх здатності намагнічуватися широко застосовують при виготовленні електричних машин, апаратів в інших електротехнічних установках.

Крива намагнічування. Процес намагнічування феромагнітного матеріалу можна зобразити у вигляді кривої намагнічування (рис. 31), яка є залежністю індукції У від напруженості Н магнітного поля (від струму, що намагнічує I ).

Криву намагнічування можна розбити на три ділянки: О-а , на якому магнітна індукція зростає майже пропорційно струму, що намагнічує; а-б , на якому зростання магнітної індукції сповільнюється, та ділянка магнітного насичення за точкою б , де з залежність У від Н стає знову прямолінійною, але характеризується повільним наростанням магнітної індукції зі збільшенням напруженості поля.

П
єремагнічування феромагнітних матеріалів, петля гістерезису. Велике практичне значення, особливо в електричних машинах та установках змінного струму, має процес перемагнічування феромагнітних матеріалів. На рис. 32 показаний графік зміни індукції при намагнічуванні та розмагнічуванні феромагнітного матеріалу (при зміні струму, що намагнічує I . Як видно з цього графіка, при тих самих значеннях напруженості магнітного поля магнітна індукція, отримана при розмагнічуванні феромагнітного тіла (ділянка а Б В ), буде більше індукції, отриманої при намагнічуванні (дільниці О-а і д-а ). Коли струм, що намагнічує, буде доведений до нуля, індукція у феромагнітному матеріалі не зменшиться до нуля, а збереже деяке значення У r , відповідне відрізку О-б . Це значення називається залишковою індукцією.

Явище відставання, або запізнення, змін магнітної індукції від відповідних змін напруженості магнітного поля називається магнітною гістерезисом, а збереження у феромагнітному матеріалі магнітного поля після припинення протікання струму, що намагнічує - залишковим магнетизмом.

П
ри зміні напряму струму, що намагнічує, можна повністю розмагнітити феромагнітне тіло і довести магнітну індукцію в ньому до нуля. Зворотна напруженість Н з , при якій індукція у феромагнітному матеріалі зменшується до нуля, називається коерцитивною силою. Криву О-а , що утворюється за умови, що феромагнітна речовина була попередньо розмагнічена, називають початковою кривою намагнічування. Криву зміни індукції називають петлею гістерези.

Вплив феромагнітних матеріалів на розподіл магнітного поля. Якщо помістити в магнітне поле якесь тіло з феромагнітного матеріалу, то магнітні силові лінії входитимуть і виходитимуть з нього під прямим кутом. У самому тілі і біля нього буде згущення силових ліній, тобто індукція магнітного поля всередині тіла і поблизу нього зростає. Якщо виконати феромагнітне тіло у вигляді кільця, то у внутрішню порожнину його магнітні силові лінії практично проникати не будуть (рис. 33) і кільце буде служити магнітним екраном, що захищає внутрішню порожнину від впливу магнітного поля. На цій властивості феромагнітних матеріалів засновано дію різних екранів, що захищають прилади електровимірювальні, електричні кабелі та інші електротехнічні пристрої від шкідливого впливу зовнішніх магнітних полів.

Лекція: Досвід Ерстеда. Магнітне поле провідника зі струмом. Картина ліній поля довгого прямого провідника та замкнутого кільцевого провідника, котушки зі струмом


Досвід Ерстеда


Магнітні властивості деяких речовин відомі людям досить давно. Однак не таким давнім відкриттям стало те, що магнітні та електричні природи речовин пов'язані між собою. Цей зв'язок показав Ерстед, який проводив досліди з електричним струмом. Абсолютно випадково поруч із провідником, яким біг струм, знаходиться магніт. Він досить різко змінював свій напрямок у той час, коли струм біг по проводах, і ставав у вихідне положення, коли ключ схеми був розімкнений.


З цього досвіду було зроблено висновок, що навколо провідника, яким біжить струм, утворюється магнітне поле. Тобто можна зробити висновок:електричне поле викликається всіма зарядами, а магнітне - лише навколо зарядів, що мають спрямований рух.


Магнітне поле провідника


Якщо розглядати поперечний переріз провідника зі струмом, його магнітні лінії матимуть кола різного діаметра навколо провідника.


Щоб визначити напрямок струму або ліній магнітного поля навколо провідника, слід скористатися правилом правого гвинта:

Якщо правою рукою обхопити провідник і направити великий палець вздовж нього у напрямку струму, зігнуті пальці покажуть напрямок ліній магнітного поля.


Силовий характеристикою магнітного поля є магнітна індукція. Іноді лінії магнітного поля називають лініями індукції.

Індукція позначається та вимірюється наступним чином: [В] = 1 Тл.


Як Ви можете згадати, для силової характеристики електричного поля був справедливий принцип суперпозицій, те саме можна сказати і для магнітного поля. Тобто результуюча індукція поля дорівнює сумі векторів індукції у кожній точці.


Виток зі струмом


Як відомо, провідники можуть мати різну форму, у тому числі складатися з кількох витків. Навколо такого провідника утворюється також магнітне поле. Для його визначення слід скористатися правилом Буравчика:


Якщо рукою обхопити витки так, щоб 4 зігнуті пальці їх охоплювали, то великий палець покаже напрямок магнітного поля.



 

Можливо, буде корисно почитати: