Siła pola magnetycznego, jego podstawowe cechy. Przykłady zadań

Prawdopodobnie wszyscy staliśmy w dzieciństwie z cudownymi właściwościami zwykłych magnesów. Mały kawałek metalu przyciągnął do siebie kilka kawałków żelaza i odpychał inne. Niesamowite właściwości magnesu nie ograniczają się do tego. Na przykład magnes zawieszony na sznurku zawsze znajduje się w pewnym miejscu w przestrzeni - właściwość ta stanowi podstawę wynalazku kompasu. Punkty końcowe magnesu są najsilniejsze. Nazywa się je "tyczkami". Specyficzne właściwości magnesu wynikają z jego pól magnetycznych, które nie są substancją, ale zachowują się bardzo namacalnie. Jedną z najważniejszych cech jest siła pola magnetycznego.

Charakterystyka pola magnetycznego

Każde pole magnetyczne ma energię, która przejawia się podczas interakcji z innymi ciałami. Pod wpływem sił magnetycznych poruszające się cząstki zmieniają kierunek ich przepływu. Pole magnetyczne pojawia się tylko wokół nich ładunki elektryczne którzy są w ruchu. Każda zmiana pola elektrycznego pociąga za sobą pojawienie się pól magnetycznych. Odwrotność jest również prawdziwa: zmiana pola magnetycznego jest warunkiem wstępnym pojawienia się elektrycznego. Tak bliska interakcja doprowadziła do powstania teorii sił elektromagnetycznych, za pomocą której różne zjawiska fizyczne są dzisiaj skutecznie tłumaczone.

Obraz pola magnetycznego

Pole magnetyczne można narysować na arkuszu papieru za pomocą linii siły. Są rysowane w taki sposób, że rzeczywisty kierunek sił pola w każdym punkcie pokrywa się z narysowanymi. Kierunki pól siłowych można wyznaczyć za pomocą igły kompasu, której biegun północny jest zawsze skierowany stycznie do linii sił. Biegun północny jest zwykle oznaczany przez miejsce, z którego pochodzą linie pola magnetycznego, a biegun południowy przez miejsce ich wejścia. Należy pamiętać, że ten rozdział jest bardzo warunkowy i jest brany pod uwagę tylko ze względu na jego jasność.

Czym jest natężenie pola magnetycznego

Opiłki żelazne ustawiane wzdłuż pól magnetycznych dowodzą, że pole magnetyczne ma dwa ważne wskaźniki - wielkość i kierunek. W dowolnym punkcie przestrzeni pole magnetyczne rozchodzi się z prędkością równą prędkości światła w próżni - 300 000 kilometrów na sekundę. Aby zdefiniować charakterystykę pola magnetycznego, naukowcy wprowadzili wartość "intensywności". Jest to wielkość wektorowa wskazująca kierunek pola magnetycznego i liczbę jego linii sił. Zgodnie z jego charakterystyką pole magnetyczne jest podobne do pojęcia "siły" w mechanice. Wskaźnik ten nie zależy od parametrów środowiska, w którym przeprowadzane są eksperymenty, ale jedynie od siły strumienia magnetycznego i odległości od źródła wytwarzającego pole. W różnych przypadkach takim źródłem może być pojedynczy magnes, cewka magnetyczna, przewód elektryczny. W każdym z tych przypadków powstaje pole magnetyczne o pewnej charakterystyce.

Siła pola elektromagnetycznego w eksperymentach

Rozważ jeden poruszający się drut prąd elektryczny. Kiedy ten drut porusza się wokół niego, powstaje pole magnetyczne. Jego charakterystykę można wyrazić w kategoriach intensywności, którą określa miara wpływu pola magnetycznego na badany organizm.

Możesz zbadać pole magnetyczne wewnątrz cewki. W tym przypadku intensywność będzie bezpośrednio zależeć od liczby zwojów cewki i odległości między nią a badanym ciałem. Łącząc te dwa wnioski, możemy podsumować: pole magnetyczne w dowolnym punkcie przestrzeni jest odwrotnie proporcjonalne do długości linii magnetycznej i wprost proporcjonalne do iloczynu liczby zwojów cewki i prądu.

Indukcja magnetyczna

Określenie siły pola magnetycznego byłoby niepełne bez koncepcji "indukcji magnetycznej". Ta wartość wyjaśnia, jaką pracę może wykonać dane pole magnetyczne. Im silniejsze pole magnetyczne, tym więcej pracy może wytworzyć, tym większa wartość jego indukcji magnetycznej.

W fizyce indukcja magnetyczna jest oznaczana przez. Może być wizualnie reprezentowany w postaci gęstości linii pola magnetycznego na jednostkę powierzchni, która jest prostopadła do mierzonego pola magnetycznego. Obecnie indukcja magnetyczna mierzone w teslah.

Strumień magnetyczny

Inna wartość, charakteryzująca pojemnościowo pole magnetyczne. Strumień magnetyczny określa, ile linii siły przenika określoną jednostkę powierzchni. W jednolitym polu magnetycznym wartość strumienia magnetycznego będzie obliczana według wzoru:

F = Ḇ / S, gdzie:

Ф - strumień magnetyczny;

Ḇ - wartość indukcji magnetycznej;

S jest obszarem, przez który przechodzą linie pola magnetycznego.

W układzie jednostek SI strumień magnetyczny mierzy się w Weber.

Formuła napięcia

Fizyczne znaczenie tej ilości można wyrazić wzorem: H = I × ω / L, gdzie:

H oznacza natężenie pola magnetycznego;

L to odległość między ciałem a źródłem pola magnetycznego;

ω to liczba zwojów cewki;

I jest prądem w obwodzie elektrycznym.

Z tego równania możemy wywnioskować, że intensywność mierzona jest w [A / m], ponieważ zwoje w cewce są wielkością.

Siła magnetyzująca

Produkt H × I w tym wzorze jest niczym więcej niż analogią napięcia pola elektrycznego. Jeżeli parametr ten zostanie zastosowany na całej długości linii indukcji magnetycznej, wówczas otrzymany produkt zostanie nazwany siłą magnesowania (ns). Ta wielkość fizyczna jest mierzona w amperach, ale eksperci preferują pojęcie "amperokręt", podkreślając bezpośrednią zależność siły od liczby zwojów cewki.

Zasada Gimlet

Aby określić kierunek pola magnetycznego cewki lub drutu, eksperci stosują zasadę świdra. Jeśli "ruch skręcający" wyimaginowanego gimleta jest równoległy do ​​kierunku prądu w obwodzie, to "uchwyt" świdra pokazuje, jak będą lokalizowane linie pola magnetycznego.

Przykłady wyznaczania pola magnetycznego

Przykład 1. Istnieje cewka o liczbie zwojów 100 i długości 10 cm. Konieczne jest podanie określonej wartości natężenia pola magnetycznego w 5000A / m. Jaka jest siła prądu płynącego przez cewkę?

Rozwiązanie: zgodnie z definicją, siła magnesowania cewki wynosi H = I × ω / L. A produkt H × I daje siłę magnetyzującą. Stąd możesz wyprowadzić wartość aktualnej siły, która jest równa: 5000A / m * 0.1m = aktualna siła * liczba zwojów. Rozwiązując prostą proporcję, stwierdzamy, że obecna siła tego problemu powinna być równa 5A.

Przykład 2. W cewce 2000 zwojów przepływa przez nią prąd 5 Amp. Jaka jest siła magnetyczna cewki?

Rozwiązanie: prosta formuła daje odpowiedź: ns = I × ω. Zatem ns = 2000 × 5 = 10 000 amperów.

Przykład 3

Jak określić pole magnetyczne bezpośredniego przewodu elektrycznego w odległości 5 cm? Prąd przepływający przez przewód wynosi 30 A.

W tym przykładzie potrzebujemy również wzoru

H ∙ l = I ∙ ω.

W przypadku przewodu bezpośredniego liczba zwojów cewki wynosi 1, a długość l = 2 π r.

Stąd możemy to wydedukować

H = 30 / (2 * 3,14 * 0,02) = 238,85 A / m.

Te i podobne problemy można łatwo rozwiązać za pomocą podstawowego kursu fizyki szkolnej. Rozwiązanie takich prostych przykładów pomoże zrozumieć jakościową istotę procesów elektromagnetycznych w otaczającej nas przyrodzie.