Заняття 17 Дія магнітного поля

Мета: розглянути приклади дії магнітного поля, рух провідника у магнітному полі, зміну руху зарядів у магнітному полі.

1. Сила Ампера.

2. Магнітний потік.

3. Сила Лоренця.

4. Електровимірювальні прилади.

5. Магнітний запис інформації.

Дія магнітного поля

1. На магніти та намагнічені тіла.Узовнішньому магнітному полі магніти розвертаються таким чином, щоб силові лінії (тобто ) всередині магніту були спрямовані на північ.

Умагнітному полі кожний з маленьких кусочків заліза намагнічується і поводиться як маленька магнітна стрілка. Наявність багатьох стрілок дає змогу у великої кількості точок визначити напрям магнітної індукції і, отже, точніше з’ясувати розміщення ліній магнітної індукції.

2. Дія на провідник із струмом в магнітному полі. На прямолінійну ділянку провідника із струмом, поміщеному в зовнішнє магнітне поле, діє сила Ампера перпендикулярна напряму струму і напруженості магнітного поля Н. Сила =0, якщо провідник із струмом розташований уздовж ліній магнітного поля.

Напрям сили Ампера F_A легко визначається за правилом лівої руки: якщо розташувати ліву руку так, щоб силові лінії поля входили в долоню, а витягнуті чотири пальці указували напрям струму, то відігнутий великий палець покаже напрям діючої на провідник сили Ампера. Якщо прямолінійна ділянка із струмом розташована під деяким кутом до напряму напруженості магнітного поля Н, на провідник діятиме лише перпендикулярна складова напруженості Н_.

У кожній точці магнітного поля може бути визначені напрям вектора магнітної індукції і його модуль за допомогою вимірювання сили Ампера, діючої на ділянку провідника l із струмом I:

, тоді .

3. Два провідника із струмом. Візьмемо два гнучких провідника і приєднаємо їх, закріпивши вертикально до полюсів джерела струму. Провідники заряджаються від джерела струму, але заряди малі, тому кулонівські сили практично не проявляються, провідники не взаємодіють. Але якщо інші кінці провідників замкнуті дротом, так щоб у провідниках виникали струми протилежного напряму, то провідники почнуть відштовхуватися один від одного. Коли струми мають один напрям, провідники притягаються. Електричний струм в одному з провідників створює навколо себе магнітне поле, яке діє на струм у другому провіднику, А поле, що створене електричним струмом другого провідника, діє на перший.

Сила притягання або відштовхування двох розташованих на відстані r один від одного паралельних провідників завдовжки l кожний, по яких течуть струми I₁ і I₂, визначається виразом .

ПО струми притягуються, ПРОТИВО струми відштовхуються (якщо намалювати лінії магнітної індукції, то виявляється «відчуття колективізму»).

За допомогою формули для сили Ампера визначається одна з основних одиниць в системі СІ - ампер. Ампер є силоміць такого постійного струму, який при проходженні по двох прямолінійних провідниках нескінченної довжини і нікчемо малого кругового перетину, розташованих один від одного в пустоті на відстані 1 м, викликав би між цими провідниками силу 210^-7 Н на кожний метр довжини.

4. Дія на виток із струмом. Складніша дія магнітного поля на виток або ряд послідовно сполучених витків (соленоїд). В цьому випадку однорідне поле приводить до появи обертаючого моменту, який повертає виток або соленоїд так, щоб їх осі були направлені уздовж поля. В неоднорідному полі, окрім обертаючого моменту, діє сила, під впливом якої виток або соленоїд, що обернувся, переміщається у бік збільшення напруженості поля.

Якщо між полюсами підковоподібного постійного магніту помістити підвішену на гнучких провідниках рамку, і якщо розміри рамки значно менше відстані між полюсами, то при пропусканні по ній струму рамка орієнтується в просторі.

Вона обернеться так, що її площина розташується перпендикулярно лінії, що сполучає полюси. При зміні напряму струму на протилежне рамка обернеться на 180^о.

А

налогічна дія на рамку проявляє провідник із струмом. Якщо оддалік рамки (на відстані, значно перевищуючому її розміри) розташувати вертикальний дріт, то поки струм є тільки в рамці або тільки в дроті, рамка знаходиться в байдужій рівновазі, тобто приймає будь-яке положення. За наявності струму і в рамці, і в дроті рамка із струмом обернеться і розташується так, що дріт опиниться в площині рамки. При зміні напряму струму в дроті рамка обернеться на 180^о.

Поведінка малого пробного заряду в електричному полі відрізняється від поведінки маленької рамки із струмом в магнітному полі. На пробний заряд в електростатичному полі діє сила, направлена по дотичній до ліній напруженості. Результуюча сила, прикладена до рамки із струмом в магнітному полі, рівна нулю, якщо магнітне поле однакове у всіх точках простору, де розташована рамка. На рамку діє лише момент сил, який повертає рамку, розташовуючи її певним чином по відношенню до джерела магнітного поля - струму або магніту. Чим більше магнітний потік крізь рамку тим більша дія магнітного поля.

Магнітний потік Ф (потік магнітної індукції), що пронизує поверхню площею S: Ф = ВSCos, де кут  - кут між вектором магнітної індукції і додатною нормаллю поверхні рамки. [Ф] = Тл^.м² = В^.с = Вб (вебер).

Магнітний потік – енергетична характеристика магнітного поля.

5. Дія на рухому заряджену частинку. Силу, діючу на рухому заряджену частинку з боку магнітного поля, називається силою Лоренца. Модуль сили Лоренца рівний

F_л = qB Sin, де  - кут між вектором швидкості і вектором магнітної індукції. Напрям сили Лоренца визначається теж правилом лівої руки, тільки потрібно враховувати, що за напрям сили струму прийнятий напрям руху позитивно заряджених частинок.

Сила Лоренца не виконує роботу, не змінює кінетичної енергії частинки і значення швидкості (її модуля), а тільки міняє напрям руху частинки.

Розглянемо рух частинки із зарядом q в однорідному магнітному полі та з початковою швидкістю .

1) . Тоді сила F_л = 0 оскільки  = 0^о або  = 180^о.

2)  . Тоді сила F_л   і визначає доцентрове прискорення частинки, незмінне за модулем. Тому частинка рухається рівномірно по колу радіусом r.

F_ц.б. =F_л, тобто ma = |q|VB

оскільки рух по колу а =, тоді m = |q|B, звідси r =.

3) 0^о180^о. У цьому випадку частинка рухається за гвинтовою лінією.

Повну швидкість частинки можна розкласти на дві складові: , паралельну вектору магнітної індукції _|| і перпендикулярну _. Сила Лоренца грає роль доцентрової сили: F_л = q_B і F_ц.с. =. Одержимо = q_B, де R - радіус гвинтової лінії. _ = . Крок гвинтової лінії h = _||T, де Т - період обігу частинки навкруги вісі, що співпадає з напрямом вектора магнітної індукції Т =.