Индукция магнитного поля

Индукция магнитного поля является одной из его основных характеристик, показывающих степень действия поля на движущийся электрозаряд. Когда в катушке индуктивности перемещается постоянный магнит, в ней генерируется электроток, и параллельно с этим становится больше магнитный поток. Всем, кто работает с электромагнитными явлениями, нужно знать определение этого вида индукции, понимать ее физический смысл и представлять, как проводится ее измерение.

Катушка – элемент цепи, создающий магнитное поле

Физический смысл магнитной индукции

Прежде, чем перейти к рассмотрению формулы магнитной индукции, нужно выяснить, чем объясняется возникновение самого явления в системе. Соленоид не является плоским элементом и включает в себя спираль из проводника (металла). При отсутствии воздействующих на него магнитных явлений находящиеся в кристаллической решетке материала спирали электрозаряды ведут себя статично. Когда в соленоиде движется постоянный магнитный элемент, формирующий поле, под его влиянием движутся и заряженные частицы, тогда в индуктивном элементе появляется электрический ток, сила которого определяется характеристиками магнитного и спирального элемента и тем, как быстро происходит движение.

Направление линий магнитной индукции

Рассматриваемая индукция является векторной величиной, то, куда она направлена, определяется посредством помещаемой в поле магнитной стрелки: местоположение северного полюса будет направлением вектора. Поместив стрелку вблизи катушки или в какую-либо иную точку поля, можно определить, куда направлен вектор в этой конкретной точке.

Формула магнитной индукции

Величина магнитной индукции определяется по следующей формуле:

В = F/(l*I).

Литерой В обозначается индукция (векторная величина), буквой F – наибольшая воздействующая на проводниковый элемент сила, l – длина элемента, I – токовая сила.

Суперпозиция магнитных полей

Это явление можно описать следующим образом: в магнитном полевом пространстве, сформированным несколькими проводящими элементами, вектор индукции поля для каждой точки будет равным векторной сумме одиночных индукций, образованных в данной точке каждым из задействованных проводников.

Магнитный поток

Для характеристики воздействия индукционного фона на контур из металла используют такую величину, как поток. Она является скалярной. В контексте этого необходимо узнать, индукция в чем измеряется. Она зависит от количества идущих через единицу сечения проводящего элемента силовых линий. В международной системе СИ за измерительную единицу принимается Тесла (Тл). Отсюда и название устройства, предназначенного для замеров – теслометра. 1 Тл – индукция, возникающая в полевом пространстве, в котором момент силы в 1 Н*м оказывает воздействие на контур площадью 1 квадратный метр, по которому течет ток в 1 ампер.

Магнитный поток

Действие магнитного поля на рамку с током

Когда в наружное поле помещают рамку из проводникового материала (проволоки), и в ней создается электроток, со стороны поля на нее будет воздействовать сила Ампера. При однородности поля равнодействующая амперовых сил получится нулевой. При этом их момент таковым не будет. Вследствие этого рамка будет поворачиваться вокруг своей оси. Индукционный вектор будет образовывать прямой угол с рамочной плоскостью.

Взаимосвязь напряженности МП и магнитной индукции

Общий вид формулы напряженности магнитного поля:

Н = I/(2*π*r).

Здесь Н – рассчитываемая величина, I – протекающий ток, r – дистанция до точки, чью характеристику поля надо оценить. Единица измерения напряженности выглядит как частное единиц, в которых измеряются сила тока и расстояние: ампера и метра (А/м).

Для соленоида, содержащего n витков и имеющего длину L, будет применяться выражение:

Н = I*n/L.

В условиях вакуума отношение величин напряженности и индукции может быть описано так:

В = μ0*Н,

где μ0 – константа, равная 1, 256*10-6.

С некоторым огрублением такое отношение справедливо и для воздушной среды. Когда в полевой зоне находится какой-то предмет, нужно учитывать магнитную проницаемость вещества, из которого он изготовлен (μ). Тогда отношение величин принимает следующий вид:

В= μ* μ0*Н.

У парамагнетиков (например, алюминиевых изделий) и особенно у ферромагнетиков (все виды железа и стали) значение μ велико, что ведет к возрастанию индукции, тогда как у диамагнитных изделий (например, медных) она меньше единицы, что несколько понижает плотность потока.

Опираясь на приведенные выражения, можно составить формулы для проводниковых изделий различной формы:

• для кольца с радиусом R: B=(μ*μ0*I*n)/2R;
• для прямого кабеля бесконечной протяженности: В=(I*n*μ*μ0)/(2π х r);
• для спирали: В=(I*n*μ*μ0)/L.

Сила Лоренца

Когда некоторый участок провода, по которому идет электроток, находится в полевом пространстве, на движущиеся заряды действует сила со стороны поля. Ее называют силой Лоренца, по фамилии впервые обнаружившего это явление ученого. На ее значение оказывают влияние величины тока, индукции и угла между векторами этих двух величин.

Чтобы узнать вектор этой силы, можно воспользоваться правилом правой руки. Указательный палец нужно жестко зафиксировать в положении, показывающем вектор МП, а большой – отвести в сторону движения тока. В такой позиции средний палец при оттягивании под прямым углом к руке укажет в сторону приложения силы Лоренца.

Направление Лоренцовой силы

Для расчета значения этой величины для некоторого заряда, перемещающегося перпендикулярно полю, используют выражение:

F=B*q*v (здесь v – скорость движения заряда).

Когда имеется угол между направлениями, формула принимает вид:

F=B*q*v*sin α.

Если надо рассчитать индукцию в контуре, помещенном в однородное поле, используют равенство:

В=М(S*I),

где М – момент амперовой силы, а S – площадь поверхности контурного элемента.

Применение силы Лоренца

Данное явление используется в датчиках, применяемых для непрямого замера электротока в локаторах, кабелях, выявления скорости транспорта или турбины. Масс-спектрометры, работая с данной силой, вычисляют удельные заряды элементарных частиц. Лоренцово воздействие заставляет заряды двигаться по кругу. Замерив радиус траектории движения, можно вычислить удельную величину, представляющую собой отношение заряда к массе. Выглядит выражение так:

Q/m=v/(B*r).

Масс-спектрометр

Магнитосфера Земли

Магнитосферой называется пространство, прилежащее к небесному телу и обладающее особыми свойствами, которые определяются взаимодействием МП планеты с заряженными частицами из внешнего пространства. Для Земли диаметр этой сферы составляет более 90 тысяч километров.

Наша планета обладает основным и переменным магнитными полями. Первое формируется электротоками, образующимися на плотном ядре вследствие разницы температур. Второе образуется из-за действия внешних сил (электротоков в атмосфере) и отличается большой нестабильностью. С ним связаны такие явления, как магнитные бури и северное сияние.

Полевое пространство Земли может быть описано рядом показателей, например, его напряженность описывает силу и привязана к географической широте. Магнитное склонение показывает разницу между меридианом (с вектором, направленным на север) и соответствующей позицией магнитной стрелки.

Изменения в магнитосфере Земли

Характеристики земного МП меняются, в основном, вследствие того, что оно смещается относительно земного шара. Люди привыкли, что северный конец стрелы должен устремляться к северу. При обратной намагниченности диполя планеты ситуация будет противоположной. В обсерваториях фиксируются данные о состоянии МП планеты, и на их основе создаются геомагнитные карты. Они демонстрируют наличие отклонений в напряженности МП и положении силовых линий в некоторых уголках Земли. Эти явления называют магнитными аномалиями. Иногда их используют как индикаторы местоположения определенных ископаемых ресурсов.

Связь между индукцией и степенью напряженности поля широко используется в расчетах. Она позволяет вывести выражения для нахождения значения индукции в проводниках разных форм, сделанных из материалов с различными показателями магнитной проницаемости.

Видео

Автор:

Гaличeв Илья Виктoрoвич