Магнитное поле

Магнитное поле окружает движущиеся элементарные частицы, обладающие электрическим зарядом, и связано с ними. В проводнике с током и в пространстве вокруг него магнитное поле создаётся этим током.

Магнитное поле обнаруживается благодаря магнитным явлениям:

• притяжению или отталкиванию проводов с токами или намагниченных тел;

• действию проводника с током на магнитную стрелку;

• электромагнитной индукции.

В основе этих явлений лежит силовое действие магн. поля на движущиеся заряженные частицы. Силы взаимодействия магн. поля с движущимися заряженными частицами (токами) назыв-ся электромагнитными.

Интенсивность магнитного поля характеризуется вектором магнитной индукции . Магнитная индукция – векторная величина, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся частицу со стороны магнитного поля.

В численном выражении магнитная индукция равна отношению силы, действующей на заряженную частицу, к произведению заряда qи скорости частицыV, направленной так, чтобы эта сила была максимальна:

,В= Тесла (Тл).

Направление вектора магнитной индукции перпендикулярно векторам силы и скорости и совпадает с поступательным перемещением правого винта (буравчика), если вращать его в направлении от вектора силы к вектору скорости частицы с положительным зарядом.

Графически магнитное поле изображают с помощью линий магнитной индукции. Линию магнитной индукции проводят так, чтобы в каждой точке этой линии касательная к ней совпадала с вектором магнитной индукции.

Связь между магнитным полем и током выражается законом полного тока (для магнитного поля в вакууме):

.

Циркуляция вектора магнитной индукции вдоль произвольного замкнутого контура интегрирования пропорциональна полному току, охватываемому этим контуром (пронизывающему поверхность, ограниченную этим контуром).

Здесь: Гн/м – магнитная постоянная;- полный ток, охватываемый контуром интегрирования (алгебраическая сумма).

Если в магнитном поле выделить некоторую поверхность S, то через заданную поверхность будем иметь полный поток вектора магнитной индукции или магнитный поток:

,Ф= Вебер (Вб).

Магнитный поток есть поток вектора магнитной индукции, пронизывающий поверхность.

Таким образом, согласно формуле, магнитная индукция является плотностью магнитного потока в данной точке поля.

Магнитное поле в веществе.

Картина поля усложняется, если магнитное поле будет не в вакууме, а в веществе. В этом случае образуется единое результирующее магнитное поле (совместное действие тока проводимости и намагниченности вещества): магнитное поле воздействует на вещество, а вещество, в свою очередь, определённым образом изменяет магнитное поле.

Магнетик – вещество с магнитными свойствами. В качестве магнетика может быть любое вещество (диэлектрик или проводник). Вещество, находящееся в магнитном поле внешних токов, приходит в особое состояние намагниченности, характеризующееся возникновением в нём добавочного магнитного поля. Это добавочное магнитное поле называют полем элементарных (внутренних) токов. В веществе имеются замкнутые элементарные токи, ориентированные хаотически (под элементарными токами понимают движение электронов). Ориентирование элементарных токов под воздействием магнитного поля - намагниченность вещества. В случае однородного магнетика нескомпенсированные элементарные токи реально проявляются на поверхности магнетика (внутри – взаимная компенсация).

Интенсивность и характер намагничивания у различных веществ в одинаковом магнитном поле внешних токов значительно отличаются. Исходя из этого, все вещества делятся на три группы:

1.Диамагнетики – вещества, в которых магнитное поле элементарных токов направлено против вызвавшего его поля внешних токов. Результирующее магнитное поле в этих веществах слабее магнитного поля внешних токов (к диамагнитным веществам относятся: вода, водород, кварц, серебро, медь и др.).

2.Парамагнетики (алюминий, кислород, воздух и т.д.).

3.Ферромагнетики (железо, никель, кобальт и их сплавы).

Общим для веществ второй и третьей групп является то, что при намагничивании магнитные моменты элементарных токов в них ориентируются в направлении поля внешних токов. В результате магнитное поле усиливается. Магнитная индукция в ферромагнитном веществе во много раз (в сотни и тысячи) больше, чем в парамагнитном, при одинаковой намагничивающей силе внешних токов.

Основной физической величиной, характеризующей намагниченность магнетика является вектор намагниченности. Намагниченность вещества является результатом действия внешнего магнитного поля.

-------------------------------------------

Намагниченность вещества обладает следующим основным свойством: циркуляция вектора намагниченности вдоль произвольного контура интегрирования определяет нескомпенсированные элементарные токи намагничивания i_ сквозь поверхность, ограниченную этим контуром.

Из закона полного тока:

.

Или

.

Введём в качестве расчётной характеристики поля в веществе новую величину – вектор напряжённости магнитного поля :

.

Тогда для любого магнетика имеем:

.

--------------------------------------------

Вектор намагниченности вещества в каждой точке магнетика пропорционален вектору напряжённости магнитного поля.

Для изотропного магнетика:

,

где - коэффициент пропорциональности между напряжённостью поляHи намагниченностью М, называемый относительной магнитной восприимчивостью.

Магнитной восприимчивостью выражает способность вещества намагничиваться под действием внешнего магнитного поля (0 для парамагнетиков и ферромагнетиков,0 для диамагнетика).

Тогда для магнитного поля в веществе имеем:

или.

Закон полного тока для магнитного поля в веществе записывается:

.

Циркуляция вектора напряжённости магнитного поля вдоль произвольного контура интегрирования равна полному току проводимости, охваченному этим контуром.

Здесь: - абсолютная магнитная проницаемость вещества, характеризующая магнитные свойства вещества, в котором существует магнитное поле;- относительная магнитная проницаемость, показывает во сколько раз магнитное поле в веществе будет сильнее (или слабее у диамагнетиков), чем в вакууме.

Для диомагнетиков и парамагнетиков линейность между модулями индукции В и напряжённости Н справедлива. У них относительная магнитная проницаемость близка к единице (отличие на сотые доли). Поэтому все вещества, кроме ферромагнитных принято считать имеющими _r = 1 (как вакуум). У ферромагнетиков_r 1 и не имеет место линейная зависимость (нелинейные свойства, гистерезис). Строго говоря ферромагнетик нельзя характеризовать магнитной проницаемостью:_r =_r(Н). Для ферромагнетика применяют линейное приближение осторожно, с оговорками (ненасыщенное состояние, магнитомягкие материалы – электротехническая сталь, пермалой – узкая петля гистерезиса).