ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ - существует вокруг электрического заряда, материально. Основное свойство электрического поля: действие с силой на эл.заряд, внесенный в него. Электростатическое поле - поле неподвижного эл.заряда, не меняется со временем. Напряженность электрического поля. - количественная характеристика эл. поля. - это отношение силы, с которой поле действует на внесенный точечный заряд к величине этого заряда. - не зависит от величины внесенного заряда, а характеризует электрическое поле!
Направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующий на отрицательный заряд.
Напряженность поля точечного заряда:
где
q0 - заряд, создающий электрическое
поле.
В любой точке поля напряженность
направлена всегда вдоль прямой,
соединяющей эту точку и q0.
ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦИИ (НАЛОЖЕНИЯ) ПОЛЕЙ
Если в данной точке пространства различные электрически заряженные частицы 1, 2, 3... и т.д. создают электрические поля с напряженностью Е1, Е2, Е3 ... и т.д., то результирующая напряженность в данной точке поля равна геометрической сумме напряженностей.
Силовые линии эл. поля - непрерывные линии, касательными к которым являются векторы напряженности эл.поля в этих точках. Однородное эл.поле - напряженность поля одинакова во всех точках этого поля. Свойства силовых линий: не замкнуты (идут от + заряда к _), непрерывны, не пересекаются, их густота говорит о напряженности поля (чем гуще линии, тем больше напряженность).
Графически надоуметь показать эл.поля: точечного заряда, двух точечных зарядов, обкладок конденсатора (в учебнике есть).
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ заряженного шара.
Есть заряженный проводящий шар радиусом R.
Заряд равномерно рапределен лишь по поверхности шара! Напряженность эл. поля снаружи:
Напряженность внутри шара: Е = 0
ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ - характеризует способность двух проводников накапливать электрический заряд. - не зависит от q и U. - зависит от геометрических размеров проводников, их формы, взаимного расположения, электрических свойств среды между проводниками.
Единицы
измерения в СИ: (Ф - фарад)
КОНДЕНСАТОРЫ
Электротехническое устройство, накапливающее заряд (два проводника, разделенных слоем диэлектрика).
где
d много меньше размеров проводника.
Обозначение
на электрических схемах:
Все
электрическое поле сосредоточено внутри
конденсатора.
Заряд конденсатора -
это абсолютное значение заряда одной
из обкладок конденсатора.
Виды конденсаторов: 1. по виду диэлектрика: воздушные, слюдяные, керамические, электролитические 2. по форме обкладок: плоские, сферические. 3. по величине емкости: постоянные, переменные (подстроечные).
Электроемкость плоского конденсатора
где
S - площадь пластины (обкладки) конденсатора
d
- расстояние между пластинами
eо -
электрическая постоянная
e -
диэлектрическая проницаемость диэлектрика
Включение конденсаторов в электрическую цепь
параллельное
последовательное
Тогда общая электроемкость (С):
при параллельном включении
.
при
последовательном включении
ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО КОНДЕНСАТОРА
Конденсатор - это система заряженных тел и обладает энергией. Энергия любого конденсатора:
где
С - емкость конденсатора
q - заряд
конденсатора
U - напряжение на обкладках
конденсатора
Энергия конденсатора
равна работе, которую совершит
электрическое поле при сближении пластин
конденсатора вплотную,
или равна
работе по разделению положительных и
отрицательных зарядов, необходимой
при зарядке конденсатора.
ЭНЕРГИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ КОНДЕНСАТОРА
Энергия конденсатора приблизительно равна квадрату напряженности эл. поля внутри конденсатора. Плотность энергии эл. поля конденсатора:
Электри́ческий ток - направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц . Такими частицами могут являться: в металлах -электроны, в электролитах - ионы (катионы и анионы), в газах - ионы и электроны, в вакууме при определенных условиях - электроны, вполупроводниках - электроны и дырки (электронно-дырочная проводимость). Иногда электрическим током называют также ток смещения, возникающий в результате изменения во времени электрического поля ] .
Сила тока - физическая величина , равная отношению количества заряда , прошедшего через некоторую поверхность за время , к величине этого промежутка времени :
В качестве рассматриваемой поверхности часто используется поперечное сечение проводника.
Сила тока в Международной системе единиц (СИ) измеряется в амперах (русское обозначение: А; международное: A), ампер является одной из семиосновных единиц СИ. 1 А = 1 Кл/с.
По закону Ома сила тока для участка цепи прямо пропорциональна приложенному напряжению к участку цепи и обратно пропорциональнасопротивлению проводника этого участка цепи:
Носителями заряда, движение которых, приводит к возникновению тока, являются заряженные частицы, в роли которых обычно выступаютэлектроны, ионы или дырки. Сила тока зависит от заряда этих частиц, их концентрации , средней скорости упорядоченного движения частиц , а также площади и формы поверхности, через которую течёт ток.
Если и постоянны по объёму проводника, а интересующая поверхность плоская, то выражение для силы тока можно представить в виде
где - угол между скоростью частиц и вектором нормали к поверхности.
В более общем случае, когда сформулированные выше ограничения не выполняются, аналогичное выражение можно записать только для силы тока , протекающего через малый элемент поверхности площадью :
Тогда выражение для силы тока, протекающего через всю поверхность, записывается в виде интеграла по поверхности
В металлах заряд переносят электроны, соответственно в этом случае выражение для силы тока имеет вид
где e - элементарный электрический заряд.
Вектор называют плотностью электрического тока. Как следует из сказанного выше, его величина равна силе тока, протекающей через малый элемент поверхности единичной площади, расположенный перпендикулярно скорости , а направление совпадает с направлением упорядоченного движения заряженных частиц .
Для измерения силы тока используют специальный прибор - амперметр (для приборов, предназначенных для измерения малых токов, также используются названия миллиамперметр, микроамперметр, гальванометр). Его включают в разрыв цепи в том месте, где нужно измерить силу тока. Основные методы измерения силы тока: магнитоэлектрический, электромагнитный и косвенный (путём измерения вольтметром напряжения на известном сопротивлении).
В случае переменного тока различают мгновенную силу тока, амплитудную (пиковую) силу тока и эффективную силу тока (равную силе постоянного тока, который выделяет такую же мощность).
Пло́тность то́ка - векторная физическая величина, имеющая смысл силы тока, протекающего через элемент поверхности единичной площади . Например, при равномерном распределении плотности тока и всюду ортогональности её плоскости сечения, через которое вычисляется или измеряется ток, величина вектора плотности тока:
где I - сила тока через поперечное сечение проводника площадью S (также см.рисунок).
Иногда речь может идти о скалярной плотности тока, в таких случаях под ней подразумевается именно та величина j , которая приведена в формуле.
В общем случае:
,
где - нормальная (ортогональная) составляющая вектора плотности тока по отношению к элементу поверхности площадью ; вектор - специально вводимый вектор элемента поверхности, ортогональный элементарной площадке и имеющий абсолютную величину, равную её площади, позволяющий записать подынтегральное выражение как обычное скалярное произведение.
Как видим из этого определения, сила тока есть поток вектора плотности тока через некую заданную фиксированную поверхность.
В простейшем предположении, что все носители тока (заряженные частицы) двигаются с одинаковым вектором скорости и имеют одинаковые заряды (такое предположение может иногда быть приближенно верным; оно позволяет лучше всего понять физический смысл плотности тока), а концентрация их ,
где - плотность заряда этих носителей.
Направление вектора соответствует направлению вектора скорости , с которой движутся заряды, создающие ток, если q положительно.
В реальности даже носители одного типа движутся вообще говоря и как правило с различными скоростями. Тогда под следует понимать среднюю скорость.
В сложных системах (с различными типами носителей заряда, например, в плазме или электролитах)
то есть вектор плотности тока есть сумма плотностей тока по всем типам подвижных носителей; где - концентрация частиц каждого типа, - заряд частицы данного типа, - вектор средней скорости частиц этого типа.
Выражение для общего случая может быть записано также через сумму по всем индивидуальным частицам:
Зако́н О́ма - эмпирический физический закон, определяющий связь электродвижущей силы источника или электрического напряжения с силой тока и сопротивлением проводника. Экспериментально установлен в 1826 году, и назван в честь его первооткрывателя Георга Ома.
В
своей оригинальной форме он был записан
его автором в виде: 
,
Здесь X - показания гальванометра, т.е в современных обозначениях сила тока I , a - величина, характеризующая свойства источника тока, постоянная в широких пределах и не зависящая от величины тока, то есть в современной терминологии электродвижущая сила (ЭДС) , l - величина, определяемая длиной соединяющих проводов, чему в современных представлениях соответствует сопротивление внешней цепи R и, наконец, b параметр, характеризующий свойства всей установки, в котором сейчас можно усмотреть учёт внутреннего сопротивления источника тока r .
В таком случае в современных терминах и в соответствии с предложенной автором записи формулировка Ома (1) выражает
Закон Ома для полной цепи :
Из закона Ома для полной цепи вытекают следствия:
При r<
При r>>R сила тока от свойств внешней цепи (от величины нагрузки) не зависит. И источник может быть назван источником тока.
Часто выражение:
(где есть напряжение или падение напряжения, или, что то же, разность потенциалов между началом и концом участка проводника) тоже называют «Законом Ома».
Таким образом, электродвижущая сила в замкнутой цепи, по которой течёт ток в соответствии с (2) и (3) равняется:
То есть сумма падений напряжения на внутреннем сопротивлении источника тока и на внешней цепи равна ЭДС источника. Последний член в этом равенстве специалисты называют «напряжением на зажимах», поскольку именно его показывает вольтметр, измеряющий напряжение источника между началом и концом присоединённой к нему замкнутой цепи. В таком случае оно всегда меньше ЭДС.
К другой записи формулы (3), а именно:
применима другая формулировка:
Выражение (5) можно переписать в виде:
где коэффициент пропорциональности G назван проводимость или электропроводность. Изначально единицей измерения проводимости был «обратный Ом» - Mо , в Международной системе единиц (СИ) единицей измерения проводимости является си́менс (русское обозначение: См ; международное: S ), величина которого равна обратному ому.
ЗАКОН ДЖОУЛЯ -ЛЕНЦА
При прохождениии тока по проводнику проводник нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам.
Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.
По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время.
В системе СИ:
[Q] = 1 Дж
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.
СВОЙСТВА (стационарного) МАГНИТНОГО ПОЛЯ
Постоянное (или стационарное) магнитное поле - это магнитное поле, неизменяющееся во времени.
1. Магнитное поле создается движущимися заряженными частицами и телами, проводниками с током, постоянными магнитами.
2. Магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы и тела, на проводники с током, на постоянные магниты, на рамку с током.
3. Магнитное поле вихревое , т.е. не имеет источника.
Магнитная индукция
Это силовая характеристика магнитного поля.
Вектор магнитной индукции направлен всегда так, как сориентирована свободно вращающаяся магнитная стрелка в магнитном поле.
Единица измерения магнитной индукции в системе СИ:
Направление линий магнитной индукции
Определяется по правилу буравчика или по правилу правой руки.
Правило буравчика (в основном для прямого проводника с током):
Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.
Правило правой руки (в основном для определения направления магнитных линий внутри соленоида):
Если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены вдоль тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.
Существуют другие возможные варианты применения правил буравчика и правой руки.
Сила ампера
Это сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.
Модуль силы Ампера равен произведению силы тока в проводнике на модуль вектора магнитной индуции, длину проводника и синус угла между вектором магнитной индукции и направлением тока в проводнике.
Сила Ампера максимальна, если вектор магнитной индукции перпендикулярен проводнику.
Если вектор магнитной индукции параллелен проводнику, то магнитное поле не оказывает никакого действия на проводник с током, т.е. сила Ампера равна нулю.
Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки :
Если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная проводнику составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а 4 вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующий на проводник с током.
или 
Действие магнитного поля на рамку с током
Однородное магнитное поле ориентирует рамку (т.е. создается вращающий момент и рамка поворачивается в положение, когда вектор магнитной индукции перпендикулярен плоскости рамки).
Неоднородное магнитное поле ориентирует + притягивает или отталкивает рамку с током. Так, в магнитном поле прямого проводника с током (оно неоднородно) рамка с током ориентируется вдоль радиуса магнитной линии и притягивается или отталкивается от прямого проводника с током в зависимости от направления токов.
Магнитный момент витка с током это физическая величина, как и любой другой магнитный момент, характеризует магнитные свойства данной системы. В нашем случае систему представляет круговой виток с током. Этот ток создает магнитное поле, которое взаимодействует с внешним магнитным полем. Это может быть как поле земли, так и поле постоянного или электромагнита.
Рисунок - 1 круговой виток с током
Круговой виток с током можно представить в виде короткого магнита. Причем этот магнит будет направлен перпендикулярно плоскости витка. Расположение полюсов такого магнита определяется с помощью правила буравчика. Согласно которому северный плюс будет находиться за плоскостью витка, если ток в нем будет двигаться по часовой стрелке.
Рисунок- 2 Воображаемый полосовой магнит на оси витка
На этот магнит, то есть на наш круговой виток с током, как и на любой другой магнит, будет воздействовать внешнее магнитное поле. Если это поле будет однородным, то возникнет вращающий момент, который будет стремиться развернуть виток. Поле буде поворачивать виток так чтобы его ось расположилась вдоль поля. При этом силовые линии самого витка, как маленького магнита, должны совпасть по направлению с внешним полем.
Если же внешнее поле будет не однородным, то к вращающему моменту добавится и поступательное движение. Это движение возникнет вследствие того что участки поля с большей индукцией будут притягивать наш магнит в виде витка больше чем участки с меньшей индукцией. И виток начнет двигаться в сторону поля с большей индукцией.
Величину магнитного момента кругового витка с током можно определить по формуле.
«Физика - 11 класс»
Электрическое поле характеризуется напряженностью электрического поля.
Напряженность электрического поля - это величина векторная.
Магнитное поле характеризуется магнитной индукцией.
Магнитная индукция - это векторная величина, она обозначается буквой .
Направление вектора магнитной индукции
За направление вектора магнитной индукци принимается направление, которое показывает северный полюс N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.
Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.
Используя рамку с током или магнитную стрелку, можно определить направление вектора магнитной индукции в любой точке поля.
В магнитном поле прямолинейного проводника с током магнитная стрелка в каждой точке устанавливается по касательной к окружности, плоскость которой перпендикулярна проводу, а центр ее лежит на оси провода.
Правило буравчика
Направление вектора магнитной индукции устанавливают с помощью правила буравчика.
Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика указывает направление вектора магнитной индукции
Линии магнитной индукции
Магнитное поле можно показать с помощью линий магнитной индукции.
Линиями магнитной индукции
называют линии, касательные к которым в любой их точке совпадают с вектором в данной точке поля. Линии вектора магнитной индукции аналогичны линиям вектора напряженности электростатического поля.
Линии магнитной индукции можно сделать видимыми, воспользовавшись железными опилками.
Магнитное поле прямолинейного проводника с током
Для пряого проводника с током линии магнитной индукции являются концентрическими окружностями, лежащими в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током. Центр окружностей находится на оси проводника. Стрелки на линиях указывают, в какую сторону направлен вектор магнитной индукции, касательный к данной линии.
Магнитное поле катушки с током (соленоида)
Если длина соленоида много больше его диаметра, то магнитное поле внутри соленоида можно считать однородным
.
Линии магнитной индукции такого поля параллельны
и находятся на равных расстояниях друг от друга.
Магнитное поле Земли
Линии магнитной индукции поля Земли подобны линиям магнитной индукции поля соленоида.
Магнитная ось Земли составляет с осью вращения Земли угол 11,5°.
Периодически магнитные полюсы меняют свою полярность.
Вихревое поле
Силовые линии электростатического поля всегда имеют источники: они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.
А линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца, они всегда замкнуты.
Поля с замкнутыми векторными линиями называют вихревыми
.
Магнитное поле - вихревое поле.
Магнитное поле не имеет источников.
Магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе не существует.
Итак , магнитное поле - это вихревое поле, в каждой его точке вектор магнитной индукции указывает магнитная стрелка, направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика
Мы не можем увидеть магнитное поле, однако для лучшего понимания магнитных явлений важно научиться его изображать. В этом помогут магнитные стрелки. Каждая такая стрелка — это маленький постоянный магнит, который легко поворачивается в горизонтальной плоскости (рис. 2.1). О том, как графически изображают магнитное поле и какая физическая величина его характеризует, вы узнаете из этого параграфа.
Рис. 2.2. В магнитном поле магнитные стрелки ориентируются определенным образом: северный полюс стрелки указывает направление вектора индукции магнитного поля в данной точке
Изучаем силовую характеристику магнитного поля
Если заряженная частица движется в магнитном поле, то поле будет действовать на частицу с некоторой силой. Значение этой силы зависит от заряда частицы, направления и значения 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 силовое действие магнитного поля.
Магнитную индукцию обозначают символом B.
Единица магнитной индукции в СИ — тесла; названа в честь сербского физика Николы Теслы (1856-1943):
За направление вектора магнитной индукции в данной точке магнитного поля принято направление, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки, установленной в этой точке (рис. 2.2).
Обратите внимание! 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.
Магнитные линии:
Рис. 2.3. Линии магнитного поля полосового магнита
Вне магнита выходят из северного полюса магнита и входят в южный;
Всегда замкнуты (магнитное поле — это вихревое поле);
Наиболее густо расположены у полюсов магнита;
Никогда не пересекаются
Изображаем магнитное поле
На рис. 2.2 видим, как ориентируются магнитные стрелки в магнитном поле: их оси как будто образуют линии, а вектор магнитной индукции в каждой точке направлен вдоль касательной к линии, проходящей через эту точку.
С помощью магнитных линий графически изображают магнитные поля:
1) за направление линии магнитной индукции в данной точке принято направление вектора магнитной индукции;
Рис. 2.4. Цепочки железных опилок воспроизводят картину линий магнитной индукции магнитного поля подковообразного магнита
2) чем больше модуль магнитной индукции, тем ближе друг к другу чертят магнитные линии.
Рассмотрев графическое изображение магнитного поля полосового магнита, можно сделать некоторые выводы (см. на рис. 2.3).
Заметим, что данные выводы справедливы для магнитных линий любого магнита.
Какое направление имеют магнитные линии внутри полосового магнита?
Картину магнитных линий можно воспроизвести с помощью железных опилок.
Возьмем подковообразный магнит, положим на него пластинку из оргстекла и через ситечко будем насыпать на пластинку железные опилки. В магнитном поле каждый кусочек железа намагнитится и превратится в маленькую «магнитную стрелку». Импровизированные «стрелки» сориентируются вдоль магнитных линий магнитного поля магнита (рис. 2.4).
Изобразите картину магнитных линий магнитного поля подковообразного магнита.
Узнаём об однородном магнитном поле
Магнитное поле в некоторой части пространства называют однородным, если в каждой его точке векторы магнитной индукции одинаковы как по модулю, так и по направлению (рис. 2.5).
На участках, 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 к нам, принято изображать точками (рис. 2.7, а) — мы как будто видим «острия стрел», летящих к нам. Если магнитные линии направлены от нас, то их изображают крестиками — мы как будто видим «оперения стрел», летящих от нас (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. 2.6. Магнитное поле внутри полосового магнита (а) и между двумя магнитами, обращенными друг к другу разноименными полюсами (б), можно считать однородным
Изучаем магнитное поле Земли
Для изучения земного магнетизма Вильям Гильберт изготовил постоянный магнит в виде шара (модель Земли). Расположив на шаре компас, он заметил, что стрелка компаса ведет себя так же, как на поверхности Земли.
Эксперименты позволили ученому предположить, что Земля — это огромный магнит, а на севере нашей планеты расположен ее южный магнитный полюс. Дальнейшие исследования подтвердили гипотезу В. Гильберта.
На рис. 2.8 изображена картина линий магнитной индукции магнитного поля Земли.
рис. 2.7. Изображение линий магнитной индукции однородного магнитного поля, которые перпендикулярны плоскости рисунка и направлены к нам (а); направлены от нас (б)
Представьте, что вы идете к Северному полюсу, двигаясь точно в том направлении, на которое указывает стрелка компаса. Достигнете ли вы места назначения?
Линии магнитной индукции магнитного поля Земли не параллельны ее поверхности. Если закрепить магнитную стрелку в карданном подвесе, то есть так, чтобы она могла свободно вращаться как вокруг горизонтальной, так
Рис. 2.8. Схема расположения магнитных линий магнитного поля планеты Земля
и вокруг вертикальной осей, стрелка установится под углом к поверхности Земли (рис. 2.9).
Как будет расположена магнитная стрелка в устройстве на рис. 2.9 вблизи северного магнитного полюса Земли? вблизи южного магнитного полюса Земли?
Магнитное поле Земли издавна помогало ориентироваться путешественникам, морякам, военным и не только им. Доказано, что рыбы, морские млекопитающие и птицы во время своих миграций ориентируются по магнитному полю Земли. Так же ориентируются, ища путь домой, и некоторые животные, например кошки.
Узнаём о магнитных бурях
Исследования показали, что в любой местности магнитное поле Земли периодически, каждые сутки, изменяется. Кроме того, наблюдаются небольшие ежегодные изменения магнитного поля Земли. Случаются, однако, и резкие его изменения. Сильные возмущения магнитного поля Земли, которые охватывают всю планету и продолжаются от одного до нескольких дней, называют магнитными бурями. Здоровые люди их практически не ощущают, а вот у тех, кто имеет сердечно-сосудистые заболевания и заболевания нервной системы, магнитные бури вызывают ухудшение самочувствия.
Магнитное поле Земли — своеобразный «щит», который защищает нашу планету от летящих из космоса, в основном от Солнца («солнечный ветер»), заряженных частиц. Вблизи магнитных полюсов потоки частиц подлетают довольно близко к атмосфере Земли. При возрастании солнечной активности космические частицы попадают в верхние слои атмосферы и ионизируют молекулы газа — на Земле наблюдаются полярные сияния (рис. 2.10).
Подводим итоги
Магнитная индукция В — это векторная физическая величина, характеризующая силовое действие магнитного поля. Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки. Единица магнитной индукции в СИ — тесла (Тл).
Условные направленные линии, в каждой точке которых касательная совпадает с линией, вдоль которой направлен вектор магнитной индукции, называют линиями магнитной индукции или магнитными линиями.
Линии магнитной индукции всегда замкнуты, вне магнита они выходят из северного полюса магнита и входят в южный, гуще расположены в тех областях магнитного поля, где модуль магнитной индукции больше.
Планета Земля имеет магнитное поле. Вблизи северного географического полюса Земли расположен ее южный магнитный полюс, вблизи южного географического полюса — северный магнитный полюс.
Контрольные вопросы
1. Дайте определение магнитной индукции. 2. Как направлен вектор магнитной индукции? 3. Какова единица магнитной индукции в СИ? В честь кого она названа? 4. Приведите определение линий магнитной индукции. 5. Какое направление принято за направление магнитных линий? 6. От чего зависит густота магнитных линий? 7. Какое магнитное поле называют однородным? 8. Докажите, что Земля имеет магнитное поле. 9. Как расположены магнитные полюсы Земли относительно географических? 10. Что такое магнитные бури? Как они влияют на человека?
Упражнение № 2
1. На рис. 1 изображены линии магнитной индукции на некотором участке магнитного поля. Для каждого случая а-в определите: 1) какое это поле — однородное или неоднородное; 2) направление вектора магнитной индукции в точках А и В поля; 3) в какой точке — А или В — магнитная индукция поля больше.
2. Почему стальная оконная решетка может со временем намагнититься?
3. На рис. 2 изображены линии магнитного поля, созданного двумя одинаковыми постоянными магнитами, обращенными друг к другу одноименными полюсами.
1) Существует ли магнитное поле в точке А?
2) Каково направление вектора магнитной индукции в точке В? в точке С?
3) В какой точке — А, В или С — магнитная индукция поля наибольшая?
4) Каково направление векторов магнитной индукции внутри магнитов?
4. Раньше во время экспедиций на Северный полюс возникали трудности в определении направления движения, ведь вблизи полюса обычные компасы почти не работали. Как вы думаете, почему?
5. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и выясните, какое значение имеет магнитное поле для жизни на нашей планете. Что произошло бы, если бы магнитное поле Земли вдруг исчезло?
6. Существуют участки земной поверхности, где магнитная индукция магнитного поля Земли значительно больше, чем в соседних областях. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте о магнитных аномалиях подробнее.
7. Объясните, почему любое незаряженное тело всегда притягивается к телу, имеющему электрический заряд.
Это материал учебника
Линии магнитной индукции. Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индукции. Линиями магнитной индукции называют линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор В в данной точке поля (рис. 214). В этом отношении линии магнитной индукции аналогичны линиям напряженности электростатического поля.
Построим линии магнитной индукции для магнитного поля прямолинейного проводника с током. Из приведенных ранее опытов следует, что линиями магнитной индукции в данном случае будут концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику с током. Центр окружностей находится на оси проводника (рис. 215). Стрелки на линиях указывают, в какую сторону направлен вектор индукции, касательный к данной линии. Как и в случае линий напряженности
электрического ноля, линии магнитной индукции проводят так, чтобы их густота была тем больше, чем сильнее поле в данном участке пространства.
Приведем еще картину магнитного поля катушки с током (соленоида). Построенная с помощью магнитных стрелок или малых контуров с током картина линий магнитной индукции показана на рисунке 21 6 (соленоид дан в разрезе).
Если длина соленоида много больше его диаметра, то поле внутри соленоида можно считать однородным. Линии магнитной индукции такого поля параллельны, их густота везде одинакова.
Картину линий магнитной индукции можно сделать «видимой», воспользовавшись мелкими железными опилками. С этим методом вы уже знакомы из курса физики VII класса.
В магнитном поле каждый из насыпанных на лист картона кусочков железа намагничивается и ведет себя как маленькая стрелка. Наличие большого количества стрелок позволяет в большем числе точек определить направление магнитного поля и, следовательно, более точно выяснить расположение линий магнитной индукции. Некоторые из картин магнитного поля, полученных с помощью железных опилок, приведены на рисунках 217-228.
Вихревое поле. Важная особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты. Вспомним, что с электрическим полем дело обстоит иначе. Силовые линии его во всех случаях начинаются на положительных зарядах и кончаются на отрицательных.
Поля с замкнутыми силовыми линиями называются вихревыми. Магнитное поле - вихревое поле.
Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе нет.
1. Какие силы называют магнитными? 2. Перечислите основные свойства магнитного поля. 3. Как движутся замкнутый контур с током и магнитная стрелка в однородном магнитном поле? 4. Укажите способ определения направления вектора магнитной индукции. 5. Что называется линиями магнитной индукции? 6. Какие поля называют вихревыми?
Для наглядного изображения магнитного поля пользуются линиями магнитной индукции. Линией магнитной индукции называют такую линию, в каждой точке которой индукция магнитного поля (вектор ) направлена по касательной к кривой. Направление этих линий совпадает с направлением поля. Условились линии магнитной индукции проводить так, чтобы число этих линий, приходящихся на единицу площади площадки, перпендикулярной к ним, равнялось бы модулю индукции в данной области поля. Тогда по густоте линий магнитной индукции судят о магнитном поле. Там, где линии гуще, модуль индукции магнитного поля больше. Линии магнитной индукции всегда замкнуты в отличие от линий напряжённости электростатического поля , которые разомкнуты (начинаются и заканчиваются на зарядах). Направление линий магнитной индукции находится по правилу правого винта: если поступательное движение винта совпадает с направлением тока, то его вращение происходит в направлении линий магнитной индукции. В качестве примера приведём картину линий магнитной индукции прямого тока, текущего перпендикулярно к плоскости чертежа от нас за чертёж (рис. 2).
|
|
|
| |
Рис. 3
Найдём циркуляцию индукции магнитного поля по окружности произвольного радиуса a
, совпадающей с линией магнитной индукции. Поле создаётся током силой I
, текущим по бесконечно длинному проводнику, расположенным перпендикулярно к плоскости чертежа (рис. 3). Индукция магнитного поля направлена по касательной к линии магнитной индукции. Преобразуем выражение , так какa = 0иcosa = 1. Индукция магнитного поля, создаваемого током, текущим по бесконечно длинному проводнику, вычисляется по формуле: B =
m0mI/
(2pa
), то 
Циркуляцию вектора по данному контуру, находим по формуле (3): 
m 0 mI
, так как 
- длина окружности. Итак, 
Можно показать, что это соотношение справедливо для контура произвольной формы, охватывающего проводник с током. Если магнитное поле создано системой токов I
1, I
2, ... , I
n, то циркуляция индукции магнитного поля по замкнутому контуру, охватывающим эти токи, равна
(4)
Соотношение (4) и является законом полного тока: циркуляция индукции магнитного поля по произвольному замкнутому контуру равна произведению магнитной постоянной, магнитной проницаемости на алгебраическую сумму сил токов, охватываемых этим контуром.
Силу тока можно найти, используя плотность тока j : где S -площадь поперечного сечения проводника. Тогда закон полного тока записывается в виде
(5)
МАГНИТНЫЙ ПОТОК.
По аналогии с потоком напряжённости электрического поля вводится поток индукции магнитного поля или магнитный поток. Магнитным потоком через некоторую поверхность называют число линий магнитной индукции, пронизывающих её. Пусть в неоднородном магнитном поле находится поверхность площадью S . Для нахождения магнитного потока через неё мысленно разделим поверхность на элементарные участки площадью dS , которые можно считать плоскими, а поле в их пределах однородным (рис. 4). Тогда элементарный магнитный поток dФ Bчерез эту поверхность равен: dФ B = B·dS· cos a = B ndS , где B - модуль индукции магнитного поля в месте расположения площадки, a - угол между вектором и нормалью к площадке, B n= B· cos a- проекция индукции магнитного поля на направление нормали. Магнитный поток Ф B через всю поверхность равен сумме этих потоков dФ B, т.е.
  Рис. 4
|
(6)
поскольку суммирование бесконечно малых величин - это интегрирование.
В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб). 1 Вб = 1 Тл·1 м 2 .
ТЕОРЕМА ГАУССА ДЛЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
В электродинамике доказывается следующая теорема: магнитный поток, пронизывающий произвольную замкнутую поверхность, равен нулю , т.е.
Это соотношение получило название теоремы Гаусса для магнитного поля. Эта теорема является следствием того, что в природе не существует "магнитных зарядов" (в отличие от электрических) и линии магнитной индукции всегда замкнуты (в отличие от линий напряжённости электростатического поля, которые начинаются и заканчиваются на электрических зарядах).
РАБОТА ПО ПЕРЕМЕЩЕНИЮ ПРОВОДНИКА С ТОКОМ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
|
Известно, что на проводник с током в магнитном поле действует сила Ампера. Если проводник перемещается, то при его движении эта сила совершает работу. Определим её для частного случая. Рассмотрим электрическую цепь, один из участков DC которой может скользить (без трения) по контактам. При этом цепь образует плоский контур. Этот контур находится в однородном магнитном поле с индукцией перпендикулярной к плоскости контура, направленном на нас (рис. 5). На участок DC действует сила Ампера,
F = BIl· sina =BIl , (8)
где l - длина участка, I - сила тока, текущего по проводнику. - угол между направлениями тока и магнитного поля. (В данном случаеa = 90°иsin a = 1). Направление силы находим по правилу левой руки. При перемещении участка DC на элементарное расстояние dx совершается элементарная работа dA , равная dA = F·dx . Учитывая (8), получаем:
dA = BIl·dx = IB·dS = I·dФ B, (9)
поскольку dS = l·dx - площадь, описываемая проводником при своём движении, dФ B=B·dS - магнитный поток через эту площадь или изменение магнитного потока через площадь плоского замкнутого контура. Выражение (9) справедливо и для неоднородного магнитного поля. Таким образом, работа по перемещению замкнутого контура с постоянным током в магнитном поле равна произведению силы тока на изменение магнитного потока через площадь этого контура.
ЯВЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
Явление электромагнитной индукции заключается в следующем: при всяком изменении магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую проводящим контуром, в нём возникает электродвижущая сила . Её называют э.д.с. индукции . Если контур замкнут, то под действием э.д.с. появляется электрический ток, названный индукционным .
Рассмотрим один из опытов, проведённых Фарадеем, по обнаружению индукционного тока, следовательно, и э.д.с. индукции. Если в соленоид, замкнутый на очень чувствительный электроизмерительный прибор (гальванометр) (рис. 6), вдвигать или выдвигать магнит, то при движении магнита наблюдается отклонение стрелки гальванометра, свидетельствующее о возникновении индукционного тока. То же самое наблюдается при движении соленоида относительно магнита. Если же магнит и соленоид неподвижны относительно друг друга, то и индукционный ток не возникает. Таким образом, при взаимном движении указанных тел происходит изменение магнитного потока, создаваемого магнитным полем магнита, через витки соленоида, что и приводит к появлению индукционного тока, вызванного возникающей э.д.с. индукции.
|
ПРАВИЛО ЛЕНЦА
Направление индукционного тока определяется правилом Ленца : индукционный ток всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, которое вызывает этот ток . Из этого следует, что при возрастании магнитного потока возникающий индукционный ток будет иметь такое направление, чтобы порождаемое им магнитное поле было направлено против внешнего поля, противодействуя увеличению магнитного потока. Уменьшение магнитного потока, наоборот, приводит к появлению индукционного тока, создающего магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем.
|
Пусть, например, в однородном магнитном поле находится квадратная рамка, изготовленная из металла и пронизываемая магнитным полем (рис.7). Предположим, что магнитное поле возрастает. Это приводит к увеличению магнитного потока через площадь рамки. Согласно правилу Ленца, магнитное поле, возникающего индукционного тока будет направлено против внешнего поля, т.е. вектор этого поля противоположен вектору . Применяя правило правого винта (если винт вращать так, чтобы его поступательное движение совпадало с направлением магнитного поля, то его вращательное движение даёт направление тока), находим направление индукционного тока Ii .
ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ.
Закон электромагнитной индукции, определяющий возникающую э.д.с., был открыт Фарадеем опытным путём. Однако его можно получить, исходя из закона сохранения энергии.
Вернёмся к электрической цепи, приведённой на рис. 5, помещённой в магнитное поле. Найдём работу, совершаемую источником тока с э.д.с. e за элементарный промежуток времени dt , при перемещении зарядов по цепи. Из определения э.д.с. работа dA сторсторонних сил равна: dA стор = e·dq , где dq - величина заряда, протекающего по цепи за время dt . Но dq = I·dt , где I - сила тока в цепи. Тогда
dA стор = e·I·dt . (10)
Работа источника тока расходуется на выделение некоторого количества теплоты dQ и на работу dA по перемещению проводника DC в магнитном поле. Согласно закону сохранения энергии, должно выполняться равенство
dA стор = dQ + dA. (11)
Из закона Джоуля - Ленца запишем:
dQ = I 2R·dt , (12)
где R - полное сопротивление данной цепи, а из выражения (9)
dA = I·dФ B, (13)
где dФ B- изменение магнитного потока через площадь замкнутого контура при движении проводника. Подставляя выражения (10), (12) и (13) в формулу (12), после сокращения на I , получаем e ·dt = IR·dt + dФ B. Разделив обе части этого равенства на dt , находим: I = (e – Из этого выражения следует вывод, что в цепи, кроме э.д.с. e , действует ещё какая-то электродвижущая сила ei , равная
(14)
и обусловленная изменением магнитного потока, пронизывающего площадь контура. Эта э.д.с. и является э.д.с. электромагнитной индукции или коротко э.д.с. индукции. Соотношение (14) представляет собой закон электромагнитной индукции , который формулируется: э.д.с. индукции в контуре равна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую этим контуром. Знак минус в формуле (14) является математическим выражением правила Ленца.