Как найти заряд магнитное взаимодействие

Часто бывает, что задачу не удается решить из-за того, что под рукой нет нужной формулы. Выводить формулу с  самого начала – дело не самое быстрое, а у нас на счету каждая минута.

Ниже мы собрали вместе основные формулы по теме «Электричество и Магнетизм». Теперь, решая задачи, вы сможете пользоваться этим материалом как справочником, чтобы не терять время на поиски нужной информации.

Ежедневная рассылка с полезной информацией для студентов всех направлений – на нашем телеграм-канале.

Магнетизм: определение

Магнетизм – это взаимодействие движущихся электрических зарядов, происходящее посредством магнитного поля.

Поле – особая форма материи. В рамках стандартной модели существует электрическое, магнитное, электромагнитные поля, поле ядерных сил, гравитационное поле и поле Хиггса. Возможно, есть и другие гипотетические поля, о которых мы пока что можем только догадываться или не догадываться вовсе. Сегодня нас интересует магнитное поле.

Магнитная индукция

Так же, как заряженные тела создают вокруг себя электрическое поле, движущиеся заряженные тела порождают магнитное поле. Магнитное поле не только создается движущимися зарядами (электрическим током), но еще и действует на них. По сути магнитное поле можно обнаружить только по действию на движущиеся заряды. А действует оно на них с силой, называемой силой Ампера, о которой речь пойдет позже.

Прежде чем мы начнем приводить конкретные формулы, нужно рассказать про магнитную индукцию.

Магнитная индукция – это силовая векторная характеристика магнитного поля.

Она обозначается буквой B и измеряется в Тесла (Тл). По аналогии с напряженностью для электрического поля Е магнитная индукция показывает, с какой силой магнитное поле действует на заряд.

Кстати, вы найдете много интересных фактов на эту тему в нашей статье про теорию магнитного поля и интересные факты о магнитном поле Земли.

Как определять направление вектора магнитной индукции? Здесь нас интересует практическая сторона вопроса. Самый частый случай в задачах – это магнитное поле, создаваемое проводником с током, который может быть либо прямым, либо в форме окружности или витка.

Для определения направления вектора магнитной индукции существует правило правой руки. Приготовьтесь задействовать абстрактное и пространственное мышление!

Если взять проводник в правую руку так, что большой палец будет указывать на направление тока, то загнутые вокруг проводника пальцы покажут направление силовых линий магнитного поля вокруг проводника. Вектор магнитной индукции в каждой точке будет направлен по касательной к силовым линиям.

Сила Ампера

Представим, что есть магнитное поле с индукцией B. Если мы поместим в него проводник длиной l, по которому течет ток силой I, то поле будет действовать на проводник с силой:

Это и есть сила Ампера. Угол альфа – угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока в проводнике.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если расположить левую руку так, чтобы в ладонь входили линии магнитной индукции, а вытянутые пальцы указывали бы направление тока, отставленный большой палец укажет направление силы Ампера.

Сила Лоренца

Мы выяснили, что поле действует на проводник с током. Но если это так, то изначально оно действует отдельно на каждый движущийся заряд. Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся в нем электрический заряд, называется силой Лоренца. Здесь важно отметить слово «движущийся», так на неподвижные заряды магнитное поле не действует.

Итак, частица с зарядом q движется в магнитном поле с индукцией В со скоростью v, а альфа – это угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции. Тогда сила, которая действует на частицу:

Как определить направление силы Лоренца? По правилу левой руки. Если вектор индукции входит в ладонь, а пальцы указывают на направление скорости, то отогнутый большой палец покажет направление силы Лоренца. Отметим, что так направление определяется для положительно заряженных частиц. Для отрицательных зарядов полученное направление нужно поменять на противоположное.

Если частица массы m влетает в поле перпендикулярно линиям индукции, то она будет двигаться по окружности, а сила Лоренца будет играть роль центростремительной силы. Радиус окружности и период обращения частицы в однородном магнитном поле можно найти по формулам:

Взаимодействие токов

Рассмотрим два случая. Первый – ток течет по прямому проводу. Второй – по круговому витку. Как мы знаем, ток создает магнитное поле.

В первом случае магнитная индукция провода с током I на расстоянии R от него считается по формуле:

Мю – магнитная проницаемость вещества, мю с индексом ноль – магнитная постоянная.

Во втором случае магнитная индукция в центре кругового витка с током равна:

Также при решении задач может пригодиться формула для магнитного поля внутри соленоида. Соленоид – это катушка, то есть множество круговых витков с током.

Пусть их количество – N, а длина самого соленоилда – l. Тогда поле внутри соленоида вычисляется по формуле:

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Магнитный поток и ЭДС

Если магнитная индукция – векторная характеристика магнитного поля, то магнитный поток – скалярная величина, которая также является одной из самых важных характеристик поля. Представим, что у нас есть какая-то рамка или контур, имеющий определенную площадь. Магнитный поток показывает, какое количество силовых линий проходит через единицу площади, то есть характеризует интенсивность поля. Измеряется в Веберах (Вб) и обозначается Ф.

S – площадь контура, альфа – угол между нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура и вектором В.

При изменении магнитного потока через контур в контуре индуцируется ЭДС, равная скорости изменения магнитного потока через контур. Кстати, подробнее о том, что такое электродвижущая сила, вы можете почитать в еще одной нашей статье.

По сути формула выше – это формула для закона электромагнитной индукции Фарадея. Напоминаем, что скорость изменения какой-либо величины есть не что иное, как ее производная по времени.

Для магнитного потока и ЭДС индукции также справедливо обратное. Изменение тока в контуре приводит к изменению магнитного поля и, соответственно, к изменению магнитного потока. При этом возникает ЭДС самоиндукции, которая препятствует изменению тока в контуре. Магнитный поток, который пронизывает контур с током, называется собственным магнитным потоком, пропорционален силе тока в контуре и вычисляется по формуле:

L – коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью, который измеряется в Генри (Гн). На индуктивность влияют форма контура и свойства среды. Для катушки с длиной l и с числом витков N индуктивность рассчитывается по формуле:

Формула для ЭДС самоиндукции:

Энергия магнитного поля

Электроэнергия, ядерная энергия, кинетическая энергия. Магнитная энергия – одна из форм энергии. В физических задачах чаще всего нужно рассчитывать энергию магнитного поля катушки. Магнитная энергия катушки с током I и индуктивностью L равна:

Объемная плотность энергии поля:

Конечно, это не все основные формулы раздела физики «электричество и магнетизм», однако они часто могут помочь при решении стандартных задач и расчетах. Если же вам попалась задача со звездочкой, и вы никак не можете подобрать к ней ключ, упростите себе жизнь и обратитесь за решением в сервис студенческой помощи.

Как найти заряд частицы по окружности

Заряженная частица движется в магнитном поле по окружности со скоростью v = 10 6 м/с. Индукция магнитного поля B = 0,3 Тл. Радиус окружности R = 4 см. Найти заряд q частицы, если известно, что ее энергия W = 12 кэВ

Дано:

W = 12 кэВ = 1,92·10 -15 Дж

Решение:

На частицу, движущуюся в магнитном поле действует сила Лоренца

которая является центростремительной

Ответ:

Движение заряженной частицы в магнитном поле: формулы. Движение заряженных частиц в однородном магнитном поле

Как известно, электрическое поле принято характеризовать величиной силы, с которой оно действует на пробный единичный электрический заряд. Магнитное поле традиционно характеризуют силой, с которой оно действует на проводник с «единичным» током. Однако при его протекании происходит упорядоченное движение заряженных частиц в магнитном поле. Поэтому мы можем определить магнитное поле B в какой-то точке пространства с точки зрения магнитной силы F_B, которую поле оказывает на частицу при ее движении в нем со скоростью v.

Общие свойства магнитной силы

Эксперименты, в которых наблюдалось движение заряженных частиц в магнитном поле, дают такие результаты:

• Величина F_B магнитной силы, действующей на частицу пропорциональна заряду q и скорости v частицы.
• Если движение заряженной частицы в магнитном поле происходит параллельно вектору этого поля, то сила, действующая на нее, равна нулю.
• Когда вектор скорости частицы составляет любой Угол θ ≠ 0 с магнитным полем, то сила действует в направлении, перпендикулярном к v и B; то есть, F_B перпендикулярна плоскости, образованной v и B (см.рис. ниже).
• Величина и направление F_B зависит от скорости частицы и от величины и направления магнитного поля B.
• Направление силы, действующей на положительный заряд, противоположно направлению такой же силы, действующей на отрицательный заряд, движущийся в ту же сторону.
• Величина магнитной силы, действующей на движущуюся частицу, пропорциональна sinθ угла θ между векторами v и B.

Сила Лоренца

Мы можем суммировать вышеперечисленные наблюдения путем записи магнитной силы в виде F_B = qv х B.

Когда происходит движение заряженной частицы в магнитном поле, сила Лоренца F_B при положительном q направлена вдоль векторного произведения v x B. Оно по определению перпендикулярно как v, так и B. Считаем это уравнение рабочим определением магнитного поля в некоторой точке в пространстве. То есть оно определяется в терминах силы, действующей на частицу при ее движении. Таким образом, движение заряженной частицы в магнитном поле кратко можно определить как перемещение под действием этой силы.

Заряд, движущийся со скоростью v в присутствии как электрического поля E, так и магнитного B, испытывает действие как электрической силы qE, так и магнитной qv х В. Полное приложенное к нему воздействие равно F_Л = qE + qv х В. Его принято называть так: полная сила Лоренца.

Движение заряженных частиц в однородном магнитном поле

Рассмотрим теперь частный случай положительно заряженной частицы, движущейся в однородном поле, с начальным вектором скорости, перпендикулярным ему. Предположим, что вектор B поля направлен за страницу. Рисунок ниже показывает, что частица движется по кругу в плоскости, перпендикулярной к B.

Движение заряженной частицы в магнитном поле по окружности происходит потому, что магнитная сила F_B направлена под прямым углом к v и B и имеет постоянную величину qvB. Поскольку сила отклоняет частицы, направления v и F_B изменяются непрерывно, как показано на рисунке. Так как F_B всегда направлена к центру окружности, она изменяет только направление v, а не ее величину. Как показано на рисунке, движение положительно заряженной частицы в магнитном поле происходит против часовой стрелки. Если q будет отрицательным, то вращение произойдет по часовой стрелке.

Динамика кругового движения частицы

Какие же параметры характеризуют вышеописанное движение заряженной частицы в магнитном поле? Формулы для их определения мы можем получить, если возьмем предыдущее уравнение и приравняем F_B центробежной силе, требуемой для сохранения круговой траектории движения:

То есть радиус окружности пропорционален импульсу mv частицы и обратно пропорционален величине ее заряда и величине магнитного поля. Угловая скорость частицы

Период, с которым происходит движение заряженной частицы в магнитном поле по кругу, равен длине окружности, разделенной на ее линейную скорость:

Эти результаты показывают, что угловая скорость частицы и период кругового движения не зависит от линейной скорости или от радиуса орбиты. Угловую скорость ω часто называют циклотронной частотой (круговой), потому что заряженные частицы циркулируют с ней в типе ускорителя под названием циклотрон.

Движение частицы под углом к вектору магнитного поля

Если вектор v скорости частицы образует некоторый произвольный угол по отношению к вектору B, то ее траектория является винтовой линией. Например, если однородное поле будет направлено вдоль оси х, как показано на рисунке ниже, то не существует никакой компоненты магнитной силы F_B в этом направлении. В результате составляющая ускорения a_x= 0, и х-составляющая скорости движения частицы является постоянной. Однако магнитная сила F_B = qv х В вызывает изменение во времени компонентов скорости v_y и v_z. В результате имеет место движение заряженной частицы в магнитном поле по винтовой линии, ось которой параллельна магнитному полю. Проекция траектории на плоскости yz (если смотреть вдоль оси х) представляет собой круг. Проекции ее на плоскости ху и xz являются синусоидами! Уравнения движения остаются такими же, как и при круговой траектории, при условии, что v заменяется на ν_⊥ = √(ν_у 2 + ν_z 2 ).

Неоднородное магнитное поле: как в нем движутся частицы

Движение заряженной частицы в магнитном поле, являющемся неоднородным, происходит по сложным траекториям. Так, в поле, величина которого усиливается по краям области его существования и ослабляется в ее середине, как, например, показано на рисунке ниже, частица может колебаться вперед и назад между конечными точками.

Как Земля влияет на движение космических частиц

Околоземные пояса Ван Аллена состоят из заряженных частиц (в основном электронов и протонов), окружающих Землю в форме тороидальных областей (см. рис. ниже). Движение заряженной частицы в магнитном поле Земли происходит по по спирали вокруг силовых линий от полюса до полюса, покрывая это расстояние в несколько секунд. Эти частицы идут в основном от Солнца, но некоторые приходят от звезд и других небесных объектов. По этой причине они называются космическими лучами. Большинство их отклоняется магнитным полем Земли и никогда не достигает атмосферы. Тем не менее, некоторые из частиц попадают в ловушку, именно они составляют пояса Ван Аллена. Когда они находятся над полюсами, иногда происходят столкновения их с атомами в атмосфере, в результате чего последние излучают видимый свет. Так возникают красивые Полярные сияния в Северном и Южном полушариях. Они, как правило, происходят в полярных регионах, потому что именно здесь пояса Ван Аллена расположены ближе всего к поверхности Земли.

Иногда, однако, солнечная активность вызывает большее число заряженных частиц, входящих в эти пояса, и значительно искажает нормальные силовые линии магнитного поля, связанные с Землей. В этих ситуациях полярное сияние можно иногда увидеть в более низких широтах.

Селектор скоростей

Во многих экспериментах, в которых происходит движение заряженных частиц в однородном магнитном поле, важно, чтобы все частицы двигались с практически одинаковой скоростью. Это может быть достигнуто путем применения комбинации электрического поля и магнитного поля, ориентированного так, как показано на рисунке ниже. Однородное электрическое поле направлено вертикально вниз (в плоскости страницы), а такое же магнитное поле приложено в направлении, перпендикулярном к электрическому (за страницу).

Масс-спектрометр

Этот прибор разделяет ионы в соответствии с соотношением их массы к заряду. По одной из версий этого устройства, известного как масс-спектрометр Бэйнбриджа, пучок ионов проходит сначала через селектор скоростей и затем поступает во второе поле B₀, также однородное и имеющее то же направление, что и поле в селекторе (см. рис. ниже). После входа в него движение заряженной частицы в магнитном поле происходит по полукругу радиуса r перед ударом в фотопластинку Р. Если ионы заряжены положительно, луч отклоняется вверх, как показано на рисунке. Если ионы заряжены отрицательно, луч будет отклоняться вниз. Из выражения для радиуса круговой траектории частицы, мы можем найти отношение m/q

и затем, используя уравнение v=E/B, мы находим, что

Таким образом, мы можем определить m/q путем измерения радиуса кривизны, зная поля величин B, B₀, и E. На практике, так обычно измеряет массы различных изотопов данного иона, поскольку все они несут один заряд q. Таким образом, отношение масс может быть определено, даже если q неизвестно. Разновидность этого метода была использована Дж. Дж. Томсоном (1856-1940) в 1897 году для измерения отношение е/m_е для электронов.

Циклотрон

Он может ускорить заряженные частицы до очень высоких скоростей. И электрические, и магнитные силы играют здесь ключевую роль. Полученные высокоэнергетические частицы используются для бомбардировки атомных ядер, и тем самым производят ядерные реакции, представляющие интерес для исследователей. Ряд больниц использует циклотронное оборудование для получения радиоактивных веществ для диагностики и лечения.

Схематическое изображение циклотрона показан на рис. ниже. Частицы движутся внутри двух полуцилиндрических контейнеров D 1 и D 2, называемых дуантами. Высокочастотная переменная разность потенциалов приложена к дуантам, разделенным зазором, а однородное магнитное поле направлено вдоль оси циклотрона (южный полюс его источника на рис. не показан).

Положительный ион, выпущенный из источника в точке Р вблизи центра устройства в первом дуанте, перемещается по полукруглой траектории (показана пунктирной красной линией на рисунке) и прибывает обратно в щель в момент времени Т / 2, где Т — время одного полного оборота внутри двух дуантов.

Частота приложенной разности потенциалов регулируется таким образом, что полярность дуантов меняется на обратную в тот момент времени, когда ион выходит из одного дуанта. Если приложенная разность потенциалов регулируется таким образом, что в этот момент D₂ получает более низкий электрический потенциал, чем D₁ на величину qΔV, то ион ускоряется в зазоре перед входом в D₂, и его кинетической энергии увеличивается на величину qΔV. Затем он движется вокруг D₂ по полукруглой траектории большего радиуса (потому что его скорость увеличилась).

Через некоторое время T / 2 он снова поступает в зазор между дуантами. К этому моменту полярность дуантов снова изменяется, и иону дается еще один «удар» через зазор. Движение заряженной частицы в магнитном поле по спирали продолжается, так что при каждом проходе одного дуанта ион получает дополнительную кинетическую энергию, равную qΔV. Когда радиус его траектории становится близким к радиусу дуантов, ион покидает систему через выходную щель. Важно отметить, что работа циклотрона основана на том, что Т не зависит от скорости иона и радиуса круговой траектории. Мы можем получить выражение для кинетической энергии иона, когда он выходит из циклотрона в зависимости от радиуса R дуантов. Мы знаем, что скорость кругового движения частицы — ν = qBR /m. Следовательно, ее кинетическая энергия

Когда энергии ионов в циклотрон превышает около 20 МэВ, в игру вступают релятивистские эффекты. Мы отмечаем, что T увеличивается, и что движущиеся ионы не остаются в фазе с приложенной разностью потенциалов. Некоторые ускорители решают эту проблему, изменяя период прикладываемой разности потенциалов, так что она остается в фазе с движущимися ионами.

Эффект Холла

Когда проводник с током помещается в магнитное поле, то дополнительная разность потенциалов создается в направлении, перпендикулярном к направлению тока и магнитного поля. Это явление, впервые наблюдаемое Эдвином Холлом (1855-1938) в 1879 году, известно как эффект Холла. Он всегда наблюдается, когда происходит движение заряженной частицы в магнитном поле. Это приводит к отклонению носителей заряда на одной стороне проводника в результате магнитной силы, которую они испытывают. Эффект Холла дает информацию о знаке носителей заряда и их плотности, он также может быть использован для измерения величины магнитных полей.

Устройство для наблюдения эффекта Холла состоит из плоского проводника с током I в направлении х, как показано на рисунке ниже.

Особенности формулы заряда q

Время на чтение:

Электрический заряд – это основа работы любого электронного прибора и та величина, без которой невозможно посчитать ни один важный показатель в электродинамике и электростатике. Подробная расшифровка термина, описание формулы нахождения электрического заряда и образец решения типовой задачи приведены в данной статье.

Что такое электрический заряд q

Электрический заряд, обозначаемый в международной системе единиц буквами q и Q, считается скалярной физической величиной, которая определяет свойство частицы или тела выступать в качестве источника электромагнитного поля и вступать в прямое взаимодействие с ним. В физике существует несколько видов электромагнитных заряженных частиц, и они называются положительными или отрицательными. Обе единицы измеряются в Кулонах, а найти их можно путём вычисления произведения одного Ампера с одной секундой.

Понятие из учебного пособия

Формула нахождения заряда

Определить искомую величину можно из физико-математической формулы силы тока. В соответствии с ней, нужно перемножить силу тока на время его прохождения по проводнику. Количество заряда можно узнать через формулу +-ne, где n служит целым числом, а е равно значению = -1,6*10^-19 Кулон.

Обратите внимание! Формула заряда является следствием прямой зависимости напряженности электромагнитного поля от потенциала его частицы, что является основным правилом нахождения емкости заряженного конденсатора и величины энергии, накопленной в нём. Кроме того, вычислить количество заряда можно через силу Лоренца.

Как вычислять с помощью законов

Поскольку q и Q являются скалярными единицами, вычислить их с помощью законов можно через точные формулы, выведенные известными учеными-физиками. К примеру, в соответствии с законом Кулона, можно найти величину и силовое направление взаимодействия заряженных частиц между несколькими неподвижными телами.

Закон сохранения

Все элементарные частицы подразделяются на нейтральные или заряженные. Они вступают во взаимодействие друг с другом внутри электромагнитного поля. Частицы, которые имеют одноименный электрон, отталкиваются, а разноименный – притягиваются. В первом случае наблюдается избыток электронов, а во втором – их недостаток. Оба типа частиц заряжаются посредством электризации. На практике, при возникновении данного явления, заряженные частицы равны по модулю, несмотря на противоположность знаков. Когда разные частицы притягиваются, то между ними происходит электризация и сохранение электрона. При этом, сумма всех изолированных системных частиц не изменяется, то есть, q + q + q…= const.

Закон сохранения

Закон Кулона

Выше было сказано, что электрические заряженные микрочастицы бывают как положительными, так и отрицательными, а их наличие подтверждается силовым взаимодействием, которое с помощью экспериментов на весах описал в 1785 году О. Кулон, создав свой физико-математический закон.

Закон Кулона представляет собой физическую закономерность, которая описывает взаимодействие наэлектризованных частиц между не электризованными, в зависимости от промежутка между ними. В соответствии с этой формулировкой, чем больше электронов имеет частица, тем ближе она расположена к другой элементарной единице заряда, и, соответственно, сила возрастает.

Обратите внимание! При увеличении расстояния между частицами, сал их взаимодействия неизменно убывает. В математической формуле это выглядит так: F1 = F2 = K*(q1*q2/r2), где q1 и q2 считаются модулями заряженных микрочастиц, k является коэффициентом пропорциональности, который зависит от системного выбора единицы, а r — расстоянием.

Образец решения задач по теме «Электрический заряд»

Ниже приведены образцы решения простых задач по электростатике, в частности, на закон Кулона.

Задача 1. Несколько одинаковых заряженных шаров имеют показатели q1 = 6 микрокулон и q2 = -18 микрокулон. Они располагаются друг от друга на 36 сантиметров (0,36 метров). Насколько будет меняться сила их взаимодействия при соприкосновении друг с другом и разведении в сторону?

Чтобы решить эту задачу, нужно воспользоваться эл заряд формулой F=K*(q1*q2/r2), подставив вместо букв известные величины. В результате, выйдет число 7,5.

Задача 2. Маленькие одинаковые шары находятся на промежутке в 0,15 метра и притягиваются с силой 1 микроньютон. Задача состоит в определении первоначальных зарядов шаров.

Чтобы решить вторую задачу, нужно использовать ту же формулу Кулона, но немного видоизмененную: F=kq2/r2. Затем вывести из правила показатель q2. Он будет равен Fr2/k. Подставив известные значения и выполнив несложные расчеты, получится цифры в 10^-7 или 10 микрокулон.

Формула для решения

В целом, электрический заряд представляет собой физическую скалярную величину, которая определяет способность тел являться источником электромагнитного поля и участвовать во взаимодействии с ним. Отыскать величину, которая обозначается буквами q и Q, для решения задач или для выполнения другой работы, можно через закон сохранения, Кулона и представленные выше основные физические формулы.

Магнитное поле

Магнитное поле – особая форма материи, существующая вокруг движущихся электрических зарядов – токов.

Источниками магнитного поля являются постоянные магниты, проводники с током. Обнаружить магнитное поле можно по действию на магнитную стрелку, проводник с током и движущиеся заряженные частицы.

Для исследования магнитного поля используют замкнутый плоский контур с током (рамку с током).

Впервые поворот магнитной стрелки около проводника, по которому протекает ток, обнаружил в 1820 году Эрстед. Ампер наблюдал взаимодействие проводников, по которым протекал ток: если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются, если токи в проводниках текут в противоположных направлениях, то они отталкиваются.

Свойства магнитного поля:

• магнитное поле материально;
• источник и индикатор поля – электрический ток;
• магнитное поле является вихревым – его силовые линии (линии магнитной индукции) замкнутые;
• величина поля убывает с расстоянием от источника поля.

Важно!
Магнитное поле не является потенциальным. Его работа на замкнутой траектории может быть не равна нулю.

Магнитным взаимодействием называют притяжение или отталкивание электрически нейтральных проводников при пропускании через них электрического тока.

Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов объясняется так: всякий движущийся электрический заряд создает в пространстве магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы.

Силовая характеристика магнитного поля – вектор магнитной индукции ​( vec{B} )​. Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, к силе тока в проводнике ​( I )​ и его длине ​( l )​:

Обозначение – ( vec{B} ), единица измерения в СИ – тесла (Тл).

1 Тл – это индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила 1 Н.

Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением от южного полюса к северному полюсу магнитной стрелки (направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки), свободно установившейся в магнитном поле.

Направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика:

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Для определения магнитной индукции нескольких полей используется принцип суперпозиции:

магнитная индукция результирующего поля, созданного несколькими источниками, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым источником в отдельности:

Поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению, называется однородным.

Наглядно магнитное поле изображают в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукции – это воображаемая линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.

Свойства магнитных линий:

• магнитные линии непрерывны;
• магнитные линии замкнуты (т.е. в природе не существует магнитных зарядов, аналогичных электрическим зарядам);
• магнитные линии имеют направление, связанное с направлением тока.

Густота расположения позволяет судить о величине поля: чем гуще расположены линии, тем сильнее поле.

На плоский замкнутый контур с током, помещенный в однородное магнитное поле, действует момент сил ​( M )​:

где ​( I )​ – сила тока в проводнике, ​( S )​ – площадь поверхности, охватываемая контуром, ​( B )​ – модуль вектора магнитной индукции, ​( alpha )​ – угол между перпендикуляром к плоскости контура и вектором магнитной индукции.

Тогда для модуля вектора магнитной индукции можно записать формулу:

где максимальный момент сил соответствует углу ​( alpha )​ = 90°.

В этом случае линии магнитной индукции лежат в плоскости рамки, и ее положение равновесия является неустойчивым. Устойчивым будет положение рамки с током в случае, когда плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции.

Взаимодействие магнитов

Постоянные магниты – это тела, длительное время сохраняющие намагниченность, то есть создающие магнитное поле.

Основное свойство магнитов: притягивать тела из железа или его сплавов (например стали). Магниты бывают естественные (из магнитного железняка) и искусственные, представляющие собой намагниченные железные полосы. Области магнита, где его магнитные свойства выражены наиболее сильно, называют полюсами. У магнита два полюса: северный ​( N )​ и южный ​( S )​.

Важно!
Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса и входят в южный полюс.

Разделить полюса магнита нельзя.

Объяснил существование магнитного поля у постоянных магнитов Ампер. Согласно его гипотезе внутри молекул, из которых состоит магнит, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи ориентированы определенным образом, то их действия складываются и тело проявляет магнитные свойства. Если эти токи расположены беспорядочно, то их действие взаимно компенсируется и тело не проявляет магнитных свойств.

Магниты взаимодействуют: одноименные магнитные полюса отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Магнитное поле проводника с током

Электрический ток, протекающий по проводнику с током, создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле.

Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током.

Направление линий магнитного поля вокруг проводника с током всегда находится в строгом соответствии с направлением тока, проходящего по проводнику.

Направление магнитных силовых линий можно определить по правилу буравчика: если поступательное движение буравчика (1) совпадает с направлением тока (2) в проводнике, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий (4) магнитного поля вокруг проводника.

При изменении направления тока линии магнитного поля также изменяют свое направление.

По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, индукция магнитного поля уменьшается.

Направление тока в проводнике принято изображать точкой, если ток идет к нам, и крестиком, если ток направлен от нас.

Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое устройство называют катушкой.

В проводнике, согнутом в виде витка, магнитные поля, образованные всеми участками этого проводника, будут внутри витка иметь одинаковое направление. Поэтому интенсивность магнитного поля внутри витка будет больше, чем вокруг прямолинейного проводника. При объединении витков в катушку магнитные поля, созданные отдельными витками, складываются. При этом концентрация силовых линий внутри катушки возрастает, т. е. магнитное поле внутри нее усиливается.

Чем больше ток, проходящий через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катушкой магнитное поле. Магнитное поле снаружи катушки также складывается из магнитных полей отдельных витков, однако магнитные силовые линии располагаются не так густо, вследствие чего интенсивность магнитного поля там не столь велика, как внутри катушки.

Магнитное поле катушки с током имеет такую же форму, как и поле прямолинейного постоянного магнита: силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят в другой ее конец. Поэтому катушка с током представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такую катушку называют электромагнитом.

Направление линий магнитной индукции катушки с током находят по правилу правой руки:

если мысленно обхватить катушку с током ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в ее витках, тогда большой палец укажет направление вектора магнитной индукции.

Для определения направления линий магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно использовать также правило буравчика:

если вращать ручку буравчика по направлению тока в витке или катушке, то поступательное движение буравчика укажет направление вектора магнитной индукции.

Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Полярность электромагнита (направление магнитного поля) можно определить и с помощью правила правой руки.

Сила Ампера

Сила Ампера – сила, которая действует на проводник с током, находящийся в магнитном поле.

Закон Ампера: на проводник c током силой ​( I )​ длиной ​( l )​, помещенный в магнитное поле с индукцией ​( vec{B} )​, действует сила, модуль которой равен:

где ​( alpha )​ – угол между проводником с током и вектором магнитной индукции ​( vec{B} )​.

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​( B_perp )​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.

Сила Ампера не является центральной. Она направлена перпендикулярно линиям магнитной индукции.

Сила Ампера широко используется. В технических устройствах создают магнитное поле с помощью проводников, по которым течет электрический ток. Электромагниты используют в электромеханическом реле для дистанционного выключения электрических цепей, магнитном подъемном кране, жестком диске компьютера, записывающей головке видеомагнитофона, в кинескопе телевизора, мониторе компьютера. В быту, на транспорте и в промышленности широко применяют электрические двигатели. Взаимодействие электромагнита с полем постоянного магнита позволило создать электроизмерительные приборы (амперметр, вольтметр).

Простейшей моделью электродвигателя служит рамка с током, помещенная в магнитное поле постоянного магнита. В реальных электродвигателях вместо постоянных магнитов используют электромагниты, вместо рамки – обмотки с большим числом витков провода.

Коэффициент полезного действия электродвигателя:

где ​( N )​ – механическая мощность, развиваемая двигателем.

Коэффициент полезного действия электродвигателя очень высок.

Алгоритм решения задач о действии магнитного поля на проводники с током:

• сделать схематический чертеж, на котором указать проводник или контур с током и направление силовых линий поля;
• отметить углы между направлением поля и отдельными элементами контура;
• используя правило левой руки, определить направление силы Ампера, действующей на проводник с током или на каждый элемент контура, и показать эти силы на чертеже;
• указать все остальные силы, действующие на проводник или контур;
• записать формулы для остальных сил, упоминаемых в задаче. Выразить силы через величины, от которых они зависят. Если проводник находится в равновесии, то необходимо записать условие его равновесия (равенство нулю суммы сил и моментов сил);
• записать второй закон Ньютона в векторном виде и в проекциях;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение проверить.

Сила Лоренца

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Формула для нахождения силы Лоренца:

где ​( q )​ – заряд частицы, ​( v )​ – скорость частицы, ​( B )​ – модуль вектора магнитной индукции, ​( alpha )​ – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​( B_perp )​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.

Если заряд частицы отрицательный, то направление силы изменяется на противоположное.

Важно!
Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно.

В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.

Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:

где ​( m )​ – масса частицы, ​( v )​ – скорость частицы, ​( B )​ – модуль вектора магнитной индукции, ​( q )​ – заряд частицы.

В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для вычисления периода обращения частицы:

Угловая скорость движения заряженной частицы:

Важно!
Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца изменяется направление скорости частицы.

Если вектор скорости направлен под углом ​( alpha )​ (0° < ( alpha ) < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.

В этом случае вектор скорости частицы можно представить как сумму двух векторов скорости, один из которых, ​( vec{v}_2 )​, параллелен вектору ( vec{B} ), а другой, ( vec{v}_1 ), – перпендикулярен ему. Вектор ( vec{v}_1 ) не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор ( vec{v}_2 ) меняется по направлению. Сила Лоренца будет сообщать движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости ( vec{v}_1 ). Частица будет двигаться по окружности. Период обращения частицы по окружности – ​( T )​.

Таким образом, на равномерное движение вдоль линии индукции будет накладываться движение по окружности в плоскости, перпендикулярной вектору ( vec{B} ). Частица движется по винтовой линии с шагом ​( h=v_2T )​.

Важно!
Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:

Особенности движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах – устройствах для измерения масс заряженных частиц; ускорителях частиц; для термоизоляции плазмы в установках «Токамак».

Алгоритм решения задач о действии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:

• сделать чертеж, указать на нем силовые линии магнитного (и электрического) поля, нарисовать вектор начальной скорости частицы и отметить знак ее заряда;
• изобразить силы, действующие на заряженную частицу;
• определить вид траектории частицы;
• разложить силы, действующие на заряженную частицу, вдоль направления магнитного поля и по направлению, ему перпендикулярному;
• составить основное уравнение динамики материальной точки по каждому из направлений разложения сил;
• выразить силы через величины, от которых они зависят;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение проверить.

Основные формулы раздела «Магнитное поле»

В настоящее время считают, что в основе разнообразных природных явлений находятся четыре фундаментальных типа взаимодействия: – это взаимодействие между элементарными частицами:

• сильное взаимодействие;
• слабое взаимодействие;
• гравитационное взаимодействие;
• электромагнитное взаимодействие.

Каждый вид взаимодействия связан с определенной характеристикой частицы. Так, гравитационное взаимодействие определено массой частицы; электромагнитное зависит от величины и знака электрического заряда.

Электрический заряд частицы — это основная и первичная ее характеристика. Заряд обладает следующими фундаментальными свойствами:

1. Он существует в двух ипостасях: положительный заряд и отрицательный заряд.
2. Если система зарядов изолирована, то алгебраическая сумма их постоянна.
3. Электрический заряд релятивистски инвариантен, что означает независимости его величины от системы отсчета (не зависит от состояния движения или покоя).

Взаимодействие между зарядами осуществляется посредством электрических полей. Электрические токи взаимодействуют при помощи магнитных полей.

Основные законы электростатики

Приведем лишь самые главные законы электростатики:

• Закон Кулона.
• Принцип суперпозиции.
• Теорему Гаусса.

Каждый электрический заряд $q$ определенным образом изменяет свойства пространства, которое его окружает, то есть создает электрическое поле. Данное поле можно обнаружить, если в него поместить «пробный заряд», который будет испытывать действие силы, которая равна:

$vec F=q’vec E$ (1),

где $vec E$ — вектор напряженности электрического поля в точке расположения пробного заряда в исследуемом электрическом поле.

Эмпирически Кулоном установлено, что поле точечного заряда в вакууме равно:

$vec{E}=frac{1}{4pi varepsilon_{0}}frac{q}{r^{2}}vec{e}_{r}left( 2right)$,

где $ epsilon_0=8,85bullet 10^{-12}$ Ф/м – электрическая постоянная; $vec e_{r}$ — орт радиус- вектора $vec r$, который проводят из центра поля к токе в которой расположен заряд $q$.

Направление вектора напряженности зависит от знака заряда. Положительные заряды являются источниками поля, отрицательные заряды – стоки поля. Выражение (2) – это запись закона Кулона в полевой форме.

Следующим важным законом электростатики служит принцип суперпозиции. Он тоже получен эмпирически. Смысл его в том, что напряженность поля совокупности стационарных зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, созданных отдельными зарядами:

$vec{E}=sumlimits_i {vec{E}_{i}=} frac{1}{4pi varepsilon_{0}}sumlimits_i {frac{q_{i}}{r_{i}^{2}}vec{e}_{ri}left( 3 right),} $

где $r_i$ — расстояние между зарядом $q_i$ и рассматриваемой точкой поля.

Принцип суперпозиции дает возможность вычислить напряженности полей любой конфигурации зарядов, представляя ее как систему точечных зарядов, со вкладом, который описывает закон Кулона.

Для задач расчета полей с плоской и сферической симметрией часто применяют теорем Гаусса, которая говорит о том, что:

Поток вектора напряженности через замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов ($Q$), которые находятся внутри этой поверхности, деленной на электрическую постоянную ($epsilon_0$):

$Ф=oint {vec{E}dvec{S}=frac{Q}{varepsilon_{0}}left( 4 right).} $

Основные законы магнитостатики

К основным законам постоянного магнитного поля отнесем:

• закон Ампера;
• закон Био-Савара-Лапласа.

Датский физик Г. Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, при нахождении рядом с проводом с током может поворачиваться. Данное открытие стало основанием для вывода о связи магнитных и электрических явлений. Основным в открытии Эрстеда было то, что магнит реагировал на перемещающийся электрический заряд. Появилось понимание того, что магнитное поле создается перемещающимся зарядом.

Проводя анализ экспериментов Эрстеда, А. Ампер выдвинул гипотезу о том, что земной магнетизм порождается токами, которые обтекают нашу планету в направлении с запада на восток.

Вывод был сделан следующий:

Магнитные свойства каждого тела определены замкнутыми электрическими токами в нем.

Ампер установил, что два проводника с токами взаимодействуют. Если токи в параллельных проводниках однонаправленные, то эти проводники притягиваются.

Сила взаимодействия пары контуров с током зависит от силы тока в каждом контуре и уменьшается при увеличении расстояния между рассматриваемыми контурами:

$dvec{F}_{12}=frac{mu_{0}}{4pi }frac{I_{1}I_{2}(dvec{l}_{2}times(dvec{l}_{1}times vec{r}_{12})}{r_{12}^{3}}left( 5 right)$,

где $mu_0=4pibullet 10^{-7}$ Н/$A^2$ — магнитная постоянная; $dvec F_{12}$ – сила, с которой первый элемент с током действует на второй. Выражение (5) содержит двойное векторное произведение; $I_1; I_2$ — силы токов, которые текут в проводниках; $I_1dvec l_1$; $I_2dvec l_2$ — элементы токов.

Проводники с током воздействуют друг на друга, посредством магнитных полей, которые их окружают.

Введем векторную величину $vec B$, которая будет характеристикой магнитного поля. Для этого параметра поля был установлен экспериментально закон, который получил название по именам его первооткрывателей, закон Био – Савара- Лапласа:

$dB=frac{mu_{0}}{4pi }frac{Idl}{r^{2}}sin {alpha , left( 6right),}$

где $Idl$ — элемент с током, который создает магнитное поле; $r$ — расстояние до точки в которой поле рассматривается поле; $alpha$ — угол между векторами $dvec l$ и $vec r$.

Полученный вектор индукции нормален к векторам $dvec l$ и $vec r$, его направление определяют при помощи правила буравчика:

Если правый винт поворачивать по направлению тока, то вектор индукции в каждой точке параллелен направлению бесконечно малого перемещения конца рукоятки буравчика.

Закон Био-Савара — Лапласа играет такую же роль в магнитостатике, как закон Кулона в электростатике. Магнитные поля подчиняются принципу суперпозиции.

Относительность электрического и магнитного полей

В общем случае электрические и магнитные поля всегда следует рассматривать совместно, как единое электромагнитное поле.

Деление электромагнитного поля на две компоненты имеет относительный характер. Это деление зависит от системы отсчета, в которой рассматриваются явления. Поле неизменное в одной системе, может оказаться переменным в другой.

Одним из важнейших явлений, которое подтверждает связь магнитного и электрического поля стало явление электромагнитной индукции, открытое Фарадеем.

Экспериментально доказано, что электродвижущая сила (ЭДС) ($Ɛ $) индукции в контуре равна:

$Ɛ=-frac{dФ}{dt}left( 7 right)$.

где $Ф$ -переменный магнитный поток через замкнутый контур или его часть.

В общем случае изменение магнитного потока сквозь плоский контур вызвано:

• переменным во времени магнитным полем;
• движением контура в поле и переменой его ориентации.

Уравнения Максвелла

Максвелл доказал, что сущностью электромагнитной индукции стало создание магнитным полем вихревого электрического поля. Индукционный ток является вторичным эффектом, который появляется в проводящих веществах. Трактовка электромагнитной индукции, которую дал Максвелл стала более общей.

Уравнения Максвелла стали математическим основанием классического электромагнетизма.

Запишем их в виде системы интегральных уравнений:

$oint {vec{E}dvec{l}} , =-int frac{partial vec{B}}{partial t}dvec{S}left( 8 right)$,

$oint {, vec{H}dvec{l}} =int ( vec{j}+frac{partial vec{D}}{partial t})dvec{S}left( 9 right)$,

$oint {, vec{D}} dvec{S}=int {rho dV} left( 10 right)$,

$oint vec{B} , dvec{S}=0left( 11 right)$.

В выражениях (8)- (11) мы имеем:

• $vec E$ и $vec D$ — напряженность и индукция электрического поля;
• $vec H$ и $vec B$ — напряженность и магнитная индукции;
• $rho$ — объемная плотность электрического заряда;
• $vec j$ — плотность тока проводимости.

Уравнения Максвелла у нас представлены в интегральном виде. Для однозначного описания электромагнитных полей уравнения Максвелла дополняют материальными уравнениями среды. В общем виде они записываются в виде функций:

$vec D=vec D(vec E)$; $vec B=vec B(vec H)$; $vec j=vec j(vec E)$.

Содержание:

Электромагнитное поле:

Сильное электромагнитное поле отрицательно действует на человеческий организм — повреждается центральная нервная система, может возникнуть рак головного мозга, уровень гемоглобина в крови понижается, нарушается память и понижается внимание.

Карта электромагнитного поля:

Электрический заряд и электромагнитное поле

При трении тел друг о друга на них возникают электрические заряды. В этом случае говорят, что тело наэлектризовано, оно получило электрический заряд, или оно потеряло электрический заряд.

 Электрическое взаимодействие между наэлектризованными телами в зависимости от знаков их зарядов может носить характер притяжения или отталкивания:

• —    тела, обладающие зарядами одинакового знака, отталкиваются друг от друга;
• —    тела, обладающие зарядами противоположного знака, притягиваются друг к другу.

В природе существуют заряды двух видов: положительный электрический заряд (+) и отрицательный электрический заряд (-). Заряды одинакового знака отталкиваются друг от друга, а заряды разного знака притягиваются друг к другу. Тела, не обладающие избытком электрического заряда, называют электрически нейтральными, или незаряженными телами.

Электрический заряд обозначают буквой q. За единицу измерения электрического заряда в СИ принят 1 кулон, названный так в честь французского ученого Шарля Кулона: [q] = 1 Кл.

Электростатическое поле — вид материи, который создается неподвижными электрическими зарядами.

 Напряженность электрического поля — силовая характеристика этого поля. Являясь векторной величиной, напряженность электрического поля направлена так же, как и электрическая сила, действующая на положительный заряд.

Вещества, продолжительное время сохраняющие свои магнитные свойства, называются постоянными магнитами или просто магнитами. Каждый магнит имеет два полюса: северный (N) и южный (S). Одноименные полюсы магнита отталкиваются, разноименные полюсы магнита притягиваются.

Магнитное поле — вид материи, который создается движущимися зарядами.

Индукция магнитного поля (или магнитная индукция) является силовой характеристикой этого поля. Направление вектора магнитной индукции в данной точке магнитного поля совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки, помещенной в эту точку поля.

Кстати:

Было выяснено, что при полете пчела заряжается положительно. А цветы обладают отрицательным зарядом. Поэтому, когда пчела садится на цветок, ее пыльца прилипает к пчеле. Самым интересным является то, что после контакта пчелы с цветком электромагнитное поле растения меняется. Это изменение как будто подает знаки другим пчелам, находящимся в воздухе: «На этом цветке нет пыльцы!».

Электрический заряд

Электрический заряд — это свойство тел и частиц создавать вокруг себя электромагнитное ноле. Электрический заряд принят также количественной мерой измерения этого свойства тел.

Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным взаимодействием. Например, когда говорят, что протон несет положительный заряд, а электрон несет отрицательный заряд, то можно с уверенностью говорить о наличии электромагнитного взаимодействия между ними. Между незаряженными (электрически нейтральными) частицами не существует электромагнитного взаимодействия. Поэтому говорят: Электрический заряд определяет интенсивность электромагнитного взаимодействия.

Электрический заряд обладает следующими особенностями:

1. Электрический заряд дискретен (не непрерывен, делим) — электрический заряд любого тела кратен целому числу элементарных зарядов:

Здесь N — число приобретенных или потерянных телом электронов.

Абсолютное значение наименьшего электрического заряда в природе называют элементарным зарядом. Элементарный заряд обозначают буквой е, численное его значение равно абсолютному значению заряда электрона или протона:

Кроме электрона и протона в природе существуют ещё несколько видов элементарных частиц. Однако только электроны и протоны могут существовать в свободном состоянии неограниченно долго. Время жизни остальных заряженных частиц очень мало — миллионные доли секунды. Они образуются в результате столкновений быстрых элементарных частиц, и через ничтожно малое время превращаются в другие частицы.

Дискретность заряда позволяет ему равномерно распределяться по поверхности проводника. Предположим, что заряд равномерно распределился по поверхности площадью S.

Величина, численно равная электрическому заряду, приходящемуся на единицу площади поверхности, называется поверхностной плотностью электрического заряда ():

Единицей поверхностной плотности электрического заряда в СИ является:

2.    Для электрического заряда выполняется закон сохранения — алгебраическая сумма электрических зарядов частиц (или тел) замкнутой системы остается неизменной:

3.    Электрический заряд является аддитивной величиной — электрический заряд системы равен алгебраической сумме электрических зарядов частиц (или тел) этой системы.

4.    Электрический заряд является инвариантной величиной — электрический заряд частиц (или тел) одинаков во всех инерциальных системах отсчета.

Электромагнитное поле

Раздел физики, в котором изучаются электрические и магнитные явления, проявляющиеся при движении и взаимодействии электрических зарядов, называется электродинамикой.

Электродинамика — раздел физики, изучающий закономерности взаимодействия между электрическими зарядами посредством электромагнитного поля.

Электромагнитное поле — вид материи, осуществляющий взаимодействие между электрически заряженными частицами и телами.

Электрическое и магнитное поля являются особыми формами проявления электромагнитного поля. Поэтому состояние электромагнитного поля в произвольной точке пространства и в любой момент времени характеризуется двумя величинами — напряженностью электрического поля и индукцией магнитного поля Эти величины являются силовыми характеристиками электромагнитного поля и определяют силы, с которыми оно действует на заряженные частицы. Под «определением силовых характеристик электромагнитного поля» имеется в виду определение сил, действующих на внесенный в поле пробный заряд (положительный точечный заряд). Отметим, что действие электромагнитного поля на заряд может быть различным, в зависимости от того, покоится заряд или движется.

Силу, с которой электромагнитное поле действует на заряд, покоящийся в данной инерциальной системе отсчета, называют электрической. Электрическая сила всегда прямо пропорциональна количественному значению заряда, помещенного в данную точку поля:

На электрический заряд, движущийся в данной инерциальной системе отсчета, электромагнитное поле действует, кроме электрической силы, ещё с силой, называемой магнитной силой. Магнитная сила прямо пропорциональна и значению движущегося заряда, и проекции скорости заряда, перпендикулярной вектору магнитной индукции:

Поэтому на электрический заряд, движущийся в электромагнитном поле, действует результирующая сила, равная сумме электрической и магнитной сил. Эту силу называют обобщенной силой Лоренца:

Напряженность электростатического поля

Поле, созданное неподвижными электрическими зарядами, называется электростатическим.

 Напряженность электрического поля — векторная физическая величина, равная отношению электрической силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда:

Единица измерения напряженности электрического поля в СИ:

 Электрическая сила равна произведению напряженности электрического поля на величину помещенного в поле заряда:

Закон Кулона: сила взаимодействия двух неподвижных точечных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

Учитывая кулоновскую силу в формуле напряженности, выясняем, от каких величин зависит напряженность электрического поля.

Модуль напряженности электрического поля, создаваемого точечным зарядом в данной точке, прямо пропорционален величине этого заряда и обратно пропорционален квадрату расстояния до этой точки:

Одной из задач электродинамики является определение силовой характеристики электростатического поля, созданного данным электрическим зарядом. Одним из особых состояний электромагнитного поля является создаваемое неподвижным зарядом электростатическое поле.

Электрическое поле — это электромагнитное поле, в котором относительно данной системы отсчета. Электрическое поле, созданное покоящимися относительно данной системы отсчета электрическими зарядами, называется электростатическим. В дальнейшем для упрощения, называя поле электрическим, будем подразумевать, что это электростатическое поле.

Электрическое иоле может быть однородным и неоднородным.

Однородное электрическое поле — поле, в каждой точке которого численное значение и направление напряженности электрического поля одинаковы. В противном случае поле неоднородное.

Например, поле между двумя параллельными пластинами, одна из которых обладает положительным, а другая таким же но модулю отрицательным зарядом, является однородным (а), а электрическое поле, создаваемое точечным зарядом, является неоднородным (b).

Напряженность электрического поля, создаваемого точечным электрическим зарядом в вакууме и в среде. Известно, что при внесении пробного заряда в электрическое поле точечного заряда в вакууме между зарядами возникает кулоновское взаимодействие.

Силы взаимодействия двух точечных электрических зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними и направлены вдоль прямой, соединяющей эти заряды (с).

Здесь — коэффициент пропорциональности, равный

Эта постоянная показывает, что два точечных заряда по 1 Кл каждый, находящиеся в  вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой 9•10⁹ Н.

Здесь — электрическая постоянная: 

Таким образом, на основе закона Кулона можно определить модуль напряженности электрического поля, созданного в вакууме зарядом в любой точке на расстоянии от источника поля:

Напряженность в данной точке электрического поля, созданного точечным зарядом в вакууме, прямо пропорциональна величине этого заряда и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника поля до этой точки.

Если заряд положительный, то вектор напряженности в произвольной точке поля направлен радиально от источника поля (d), а если же заряд отрицательный — вектор напряженности направлен радиально к источнику поля (заряду ).

Для электрических полей выполняется принцип суперпозиции.

Напряженность результирующего электрического поля в данной точке пространства, создаваемого несколькими электрическими зарядами, равна геометрической сумме напряженностей отдельных полей:

На рисунке изображена схема определения напряженности результирующего ноля в точке А, созданного двумя точечными зарядами (е).

В среде (внутри однородного диэлектрика) кулоновская сила взаимодействия зарядов слабее по сравнению с силой их взаимодействия в вакууме в раз:

Здесь  — величина, называемая диэлектрической проницаемостью среды и показывающая, во сколько раз кулоновская сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме при неизменном расстоянии между ними:

Напряженность электрического поля в среде меньше, чем в вакууме, в  раз:

Значит, диэлектрическая проницаемость среды также является физической величиной, показывающей, во сколько раз напряженность электрического поля, созданного электрическим зарядом в данной точке внутри однородного диэлектрика, меньше, чем в вакууме:

Диэлектрическая проницаемость различных сред различна. Например, для дистиллированной воды =81 (для вакуума = 1).

Работа однородного электрического поля

Энергетическая характеристика электрического поля называется электрическим напряжением или просто напряжением.

Скалярная величина, показывающая, какую работу совершило электрическое поле при перемещении единичного заряда из одной точки поля в другую, называется электрическим напряжением между этими точками поля:

Единицей измерения напряжения в СИ является вольт:

Механическая работа — скалярная физическая величина, равная произведению модуля силы, действующей на тело, модуля перемещения тела и косинуса угла между векторами силы и перемещения:

Работа силы тяжести в гравитационном поле Земли:

Работа силы тяжести не зависит от формы траектории движения тела, она зависит от разности уровней начального и конечного положений центра тяжести тела.

Силы, работа которых не зависит от формы траектории движения тела, называются консервативными. Значит, сила тяжести — консервативная сила.

Это положение позволяет вывести понятие «потенциальной энергии» для системы тел, взаимодействующих с силами гравитационного взаимодействия. Так, выражение mgh в последней формуле является потенциальной энергией взаимодействия Земли и тела, находящегося на высоте h от поверхности Земли:

Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком:

Проведенные учеными исследования показали, что Земля обладает отрицательным электрическим зарядом, а слой ионосферы в её атмосфере — положительным зарядом. Слои атмосферы, лежащие между ними, играют роль изолятора.

Работа однородного электрического поля:

Работа однородного электрического поля, в котором положительный пробный заряд под действием постоянной электрической силы совершает перемещение между двумя точками поля, равна (а):

Здесь — угол между силовой линией поля и вектором перемещения заряда.

Так как проекция вектора перемещения на силовую линию равна то работа поля будет равна:

Работа однородного электрического поля при перемещении пробного положительного заряда равна произведению модуля этого заряда на модуль напряженности электрического поля и на проекцию его перемещения на направление силовых линий.

Выражение (1) можно написать и так:

Здесь и — соответственно расстояния от отрицательной пластины до точек 1 и 2. Вследствие пропорциональности работы электрического поля величине пробного заряда отношение не зависит от величины пробного заряда и не зависит от траектории его движения. Это отношение зависит от электрического поля, а также от начального и конечного положений заряда в поле.

Так как работа электрической силы при переносе пробного заряда из одной точки электрического поля в другую не зависит от формы траектории, то электрическая сила является консервативной, а электрическое поле — потенциальным.

Скалярная физическая величина, равная отношению работы электрического поля при переносе электрического заряда из одной точки поля в другую к величине этого заряда, называется разностью потенциалов между этими точками, или напряжением между ними:

Здесь — разность потенциалов. Индексы 1 и 2 указывают на точки

поля, между которыми перемещается заряд. Единицей измерения разности потенциалов в СИ является вольт:

Из выражения (3) можно определить работу поля при перемещении заряда между двумя его точками:

Работа электрического поля при перемещении заряда между двумя его точками равна произведению заряда на разность потенциалов (напряжение) между ними :

Сравнивая (1) и (3), получим формулу, связывающую напряженность и напряжение: 

Напряженность электрического поля направлена от точки поля с большим потенциалом к точке с меньшим потенциалом.

Потенциал электрического поля

Для выражения энергетической характеристики электрического ноля в произвольной точке используется физическая величина, называемая потенциалом. Разность потенциалов между любой точкой электрического поля и точкой, принятой за нулевой потенциал, называют потенциалом поля в этой точке. Обычно вычисление потенциала производится относительно бесконечности.

Потенциал — скалярная величина, численно равная работе поля по перемещению единичного положительного заряда в бесконечность при его отталкивании от положительного заряда q:

Потенциал обозначается символом . Единицей измерения потенциала в СИ

является вольт:

Потенциальная энергия заряда в электрическом поле. Так как электрическое поле является потенциальным, то к замкнутой системе заряд-электрическое поле можно применить теорему о потенциальной энергии.

Работа, совершенная в потенциальном поле, равна изменению потенциальной энергии системы, взятому с противоположным знаком:

Здесь и — потенциальные энергии заряда в точках 1 и 2 ноля (b).

Сравнив выражения (4) и (7), получим:

Отсюда

Значит, величина, определяемая отношением потенциальной энергии пробного заряда в данной точке поля к величине заряда, равна потенциалу поля.

Эквипотенциальные поверхности

Поверхность, во всех точках которой потенциал поля принимает одинаковые значения, называется эквипотенциальной. Для точечного заряда эквипотенциальными являются концентрические сферы, центры которых совпадают с местонахождением заряда (с). Для однородного электрического поля — это поверхности, перпендикулярные силовым линиям поля (d).

Конденсатор и электрическая емкость

Конденсатор-устройство, используемое для накопления электрических зарядов. Его название происходит от латинского слова «kondensare», что означает сгущение.

Самый простой конденсатор — плоский конденсатор, состоит из двух близко расположенных параллельных металлических пластин с тонким слоем диэлектрика (например, воздуха) между ними (а). На схемах электрических цепей конденсатор обозначают как .

Пластины конденсатора электризуются равными по модулю зарядами противоположных знаков.

Способность конденсатора накапливать электрический заряд характеризуется физической величиной, называемой электрической ёмкостью.

Для разделения, накопления и передачи большого количества электрического заряда разных знаков используются устройства, называемые электрофорной машиной (b).

Быстро вращаясь, диски электрофорной машины трутся о воздух между ни-ми и электризуются зарядами разного знака. Заряды пластин снимаются с помощью металлических щеток и накапливаются в двух лейденских банках (1), а оттуда передаются на сферические металлические кондукторы (2). В результате на одном из кондукторов накапливается положительный, а на другом — отрицательный заряд.

Известный сербский ученый Никола Тесла (1856-1943) выдвинул идею о том, что система Земля — атмосфера представляет собой гигантский конденсатор, который является источником дешевой электрической энергии. Согласно этой идее, совпадение частоты слабого электромагнитного излучения, посылаемого в ионосферу Земли, с собственной частотой заряженных частиц ионосферы вызовет в ней резонанс. В результате возникнет очень сильное излучение, окружающее Землю. В это время достаточно будет в любой точке поверхности Земли воткнуть длинный металлический стержень, чтобы непрерывно получать из неба бесплатную электрическую энергию. Главной проблемой было построение башни для создания возбуждающих ионосферу импульсов — резонатора. Американский миллиардер Морган принял решение о финансировании постройки этой башни в Лонг-Айленде (США). Однако незадолго до завершения работы он приостановил и отменил этот проект в целях предотвращения возможной экологической катастрофы.

Известно, что простейшим конденсатором является плоский конденсатор, состоящий из двух параллельных пластин. Характеристикой конденсатора является электрическая ёмкость.

Электрическая ёмкость конденсатора (С) — скалярная физическая величина, равная отношению заряда конденсатора к разности потенциалов (напряжению) между его пластинами:

Единицей измерения электрической ёмкости в СИ является фарад (1Ф):

1 фарад — это электрическая емкость конденсатора, когда заряд пластин 1 Кл создает между ними напряжение 1В:

Фарад — очень большая ёмкость, поэтому на практике используются его дольные единицы (микрофарад, нанофарад, пикофарад и др.):

Заряд конденсатора равен модулю заряда одной из пластин конденсатора. Этот заряд прямо пропорционален напряжению на концах источника, подключенного к конденсатору:

Значит, электроёмкость является коэффициентом пропорциональности между зарядом и напряжением и не зависит ни от заряда, ни от напряжения. От чего же зависит электроёмкость?

Электрическая ёмкость плоского конденсатора зависит от площади его пластин, расстояния между пластинами и диэлектрической проницаемости вещества, находящегося между ними:

Здесь S — площадь одной из пластин конденсатора, d — расстояние между пластинами, — диэлектрическая проницаемость вещества, которое находится между его пластинами. Именно диэлектрик, находящийся между пластинами, дает конденсатору возможность длительное время сохранять заряд. Если диэлектриком между пластинами является только воздух ( = 1), то такой конденсатор называется воздушным и его электроёмкость:

Энергия электрического поля конденсатора

Энергия однородного электрического поля между пластинами плоского заряженного конденсатора определяется нижеприведенной формулой:

Примечание. Множитель в выражении (5) указывает на то, что при движении пластин конденсатора в отдельности каждая из них оказывается движущейся в электрическом поле, созданным зарядом другой пластины. Напряженность поля одной пластины в 2 раза меньше напряженности электрического поля между пластинами.

Если учесть здесь выражение (2), то получаются выражения, отражающие зависимость энергии конденсатора от ёмкости и заряда конденсатора:

или

Если учесть выражение (3) в выражениях (6) и (7), то можно получить следующие выражения для энергии электрического поля плоского конденсатора:

Распределение энергии электрического ноля в пространстве выражается физической величиной, называемой плотностью энергии электрического поля:

Плотность энергии электрического поля — физическая величина, численно равная энергии электрического поля, приходящейся на единицу объёма:

Здесь — плотность энергии электрического поля, единица её измерения в СИ: 

Если в последнем выражении учесть формулу (8), выражения то станет очевидным, что плотность энергии электрического поля прямо пропорциональна квадрату напряженности поля:

Примечание. Конденсатор не может служить аккумулятором, длительное время сохраняющим в себе электрическую энергию (из-за утечки заряда). Однако он, в отличие от аккумулятора, способен мгновенно разряжаться в цепи с малым сопротивлением. Это свойство конденсатора широко используется на практике (например, во вспышках фотоаппаратов и лампах мобильных телефонов).

Соединение конденсаторов

Электрическая цепь может состоять из различных элементов: источник тока, потребители (лампа, электрический звонок, электрический нагреватель, телевизор и др.), ключ, соединительные провода. Одной из простейших цепей является последовательное соединение этих элементов.

При последовательном соединении конец каждого проводника соединяется с началом последующего.

При последовательном соединении силы токов одинаковы в любой части цепи:

Общее напряжение цепи при последовательном соединении равно сумме напряжений отдельных участков этой цепи:

Общее сопротивление при последовательном соединении равно сумме сопротивлений отдельных ее участков:

Общее сопротивление цепи, состоящей из n проводников с одинаковым сопротивлением R, в n раз больше сопротивления каждого проводника:

Параллельным называется соединение проводников, при котором начапа всех проводников соединяются в одной точке (например, в точке А), а концы в другой (например, в точке В).

Напряжения на концах параллельно соединенных проводников одинаковы:

При параллельном соединении сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов в отдельных ветвях цепи:

Величина, обратная общему сопротивлению параллельно соединенных проводников, равна сумме величин, обратных сопротивлению каждого проводника:

Общее сопротивление участка цепи, состоящей из двух параллельно соединенных проводников, равно:

В соответствии с этим общее сопротивление участка цепи, состоящей из n числа параллельно соединенных проводников с одинаковым сопротивлением R, меньше сопротивления каждого из них в n раз:

 На практике часто случается, что при выходе из строя бытовых приборов для срочного их ремонта отсутствуют конденсаторы с необходимым номиналом электроёмкости и напряжения. В таких случаях приходится получить необходимый номинал, используя конденсаторы различного номинала. А для этого необходимо знать правила их соединений.

С целью получения различных значений электроёмкости собирают батареи конденсаторов, соединяя их либо последовательно, либо параллельно.

Последовательное соединение конденсаторов

При последовательном соединении конденсаторов отрицательно заряженная пластина первого конденсатора соединена с положительно заряженной пластиной второго и т.д. (с).

Заряды последовательно соединенных конденсаторов одинаковы:

Общее напряжение на концах цепи, состоящей из последовательно соединенных конденсаторов, равно сумме напряжений отдельных конденсаторов:

Величина, обратная общей электроемкости батареи последовательно соединенных конденсаторов, равна сумме величин, обратных значениям электроёмкостей отдельных конденсаторов:

Общая ёмкость цепи, состоящей из последовательно соединенных n конденсаторов одинаковой ёмкости, в n раз меньше ёмкости одного конденсатора:

Напряжение и энергия последовательно соединенных конденсаторов обратно пропорциональны их электрическим ёмкостям:

Параллельное соединение конденсаторов

При параллельном соединении положительно заряженные пластины всех конденсаторов соединяют в одной точке, а отрицательно заряженные пластины в другой точке (d).

Общий заряд параллельно соединенных конденсаторов равен сумме зарядов отдельных конденсаторов:

Напряжения на концах параллельно соединенных конденсаторов одинаковы:

Общая электроёмкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме электроёмкостей отдельных конденсаторов:

Общая электроёмкость n числа параллельно соединенных одинаковых конденсаторов в n раз больше электроёмкости одного конденсатора:

Электрические заряды и энергии параллельно соединенных конденсаторов прямо пропорциональны их электроёмкостям:

Движение заряженных частиц в магнитном поле

При равномерном движении по окружности линейная скорость материальной точки численно равна отношению пройденного пути ко времени, за которое этот путь пройден: 

При равномерном движении по окружности модуль центростремительного ускорения материальной точки равен отношению квадрата линейной скорости к радиусу окружности:

Сила, с которой магнитное поле действует на движущуюся заряженную частицу, называется силой Лоренца:

Если заряженная частица влетает в магнитное поле в направлении, перпендикулярном линиям индукции, то сила Лоренца принимает максимальное значение:

Сила Лоренца перпендикулярна векторам и   её направление определяется правилом левой руки.

Правило левой руки для определения направления силы Лоренца

Правило левой руки для определения направления силы Лоренца: левую руку следует расположить в магнитном поле так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного заряда), тогда отогнутый на 90^о большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца.

Вблизи Северного и Южного полюсов Земли наблюдаются очень красивые природные явления, называемые «полярным сиянием». Причиной возникновения полярного сияния является действие магнитного поля Земли на поток заряженных частиц в атмосфере.

Магнитное поле — это электромагнитное поле, индукция магнитного поля которого относительно данной системы отсчета отлична от нуля напряженность электрического поля которого равна нулю

На заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, действует сила Лоренца:

Так как направление силы Лоренца перпендикулярно направлению скорости частицы то эта сила не совершает работы: По этой причине сила Лоренца не может изменить модуль скорости и импульса частицы, а также ее кинетическую энергию. Она способна изменить лишь направление движения частицы. Согласно II закону Ньютона, уравнение движения заряженной частицы в неизменном во времени однородном магнитном поле (при условии ) имеет вид:

Если частица влетает в поле в направлении, перпендикулярном силовым линиям поля то на неё действует максимальная сила Лоренца (sin 90° = 1):

В этом случае уравнение движения частицы:

Сообщая телу центростремительное ускорение (так как ), сила Лоренца заставляет его вращаться по окружности радиусом R (b):

Уравнение движения частицы преобразуется: 

Из выражения (4) можно выяснить, от каких величин зависит радиус окружности, по которой вращается частица:

Здесь р и Е_к — соответственно модуль импульса и кинетическая энергия частицы.

Радиус окружности, которую описывает заряженная частица в однородном магнитном поле, прямо пропорционален модулю скорости его движения (импульса) и обратно пропорционален модулю вектора магнитной индукции поля.

Период обращения частицы по окружности зависит от массы частицы, величины заряда и модуля индукции магнитного поля:

Кстати:

Прибор, используемый для определения массы частицы, называется «масс-спектрограф». Принцип его работы заключается в следующем: вакуумная камера прибора помещается в однородное магнитное поле (вектор его индукции направлен к нам перпендикулярно плоскости рисунка). Заряженные частицы сначала ускоряются электрическим полем, а затем, отклоняясь магнитным полем, описывают дугу, оставляя след на фотопластинке (с). Радиус кривизны дуги измеряется. Это позволяет точно вычислить массу частицы с известным значением заряда.

Действие магнитного поля на проводник с током

Направление вектора индукции магнитного поля, созданного электрическим током, удобно определять правилом правого буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика показывает направление вектора индукции магнитного поля, созданного этим током (1). Направление вектора индукции магнитного поля кругового тока также определяется правилом правого буравчика: если вращать рукоятку буравчика по направлению кругового тока, то направление поступательного движения буравчика покажет направление вектора индукции магнитного поля, созданного током (2).

При помещении проводника с током в однородное магнитное поле модуль действующей на него силы Ампера равен произведению модуля индукции магнитного поля, длины этого проводника, силы тока в нем и синуса угла между направлением тока и вектором магнитной индукции:

Направление силы Ампера определяется правилом левой руки: если расположить левую руку в магнитном поле так, чтобы линии магнитной индукции были направлены в ладонь, а четыре пальца были вытянуты по направлению тока, то отведенный под 90^о большой палец укажет направление силы Ампера.

В начале XIX века один из основоположников математической теории электромагнетизма, немецкий математик и физик Карл Фридрих Гаусс (1777-1855) разработал теорию электромагнитной пушки, называемой «пушкой Гаусса». Принцип её работы основан на взаимодействии катушки с током и железного снаряда (постоянный магнит). На рисунке изображены модель пушки Гаусса и схема принципа его работы (а).

После того, как датский ученый X. Эрстед экспериментально установил существование взаимодействия проводника с током и магнитной стрелки, французский физик А. Ампер выяснил, что два параллельных проводника с током взаимодействуют как два постоянных магнита. Стало известно, что между параллельными проводниками с токами одинакового направления взаимодействие носит характер притяжения, а между проводниками с токами противоположного направления -характер отталкивания. Так как электрический ток является упорядоченным движением заряженных частиц, то магнитное взаимодействие является взаимодействием магнитных полей, созданных движущимися заряженными частицами в пространстве.

Магнитное поле действует с определенной силой на любой проводник с током (пробный ток), помещенный в это поле. Модуль этой силы, называемой силой Ампера, равен произведению силы тока в проводнике, модуля вектора магнитной индукции, длины проводника и синуса угла между направлением тока и вектором индукции магнитного поля:

Известно, что направление силы Ампера определяется правилом левой руки. Если проводник с током перпендикулярен вектору магнитной индукции (sin90°=l), то сила Ампера принимает максимальное значение:

С помощью этой формулы можно выразить физическую суть силовой характеристики магнитного поля — индукции магнитного поля.

Индукция магнитного поля — векторная величина, численно равная максимальной силе, действующей на элемент тока (), помещенный в это поле:

За направление вектора магнитной индукции в данной точке поля принимают направление, которое указывает северный полюс свободной магнитной стрелки, помещенной в эту точку поля (с). Единицей измерения магнитной индукции в СИ является тесла (Тл):

1 тесла — индукция такого магнитного поля, которое на проводник длиной 1 м, расположенный перпендикулярно линиям магнитной индукции, и силой тока 1 А, действует с силой 1 Н.

Магнитное поле, в каждой точке которого числовое значение и направление вектора магнитной индукции одинаковы, называется однородным магнитным полем.

Для магнитного поля выполняется принцип суперпозиции: вектор индукции результирующего магнитного поля, созданного несколькими проводниками с током, равен геометрической сумме векторов индукции отдельных магнитных полей, созданных этими проводниками: 

С целью визуализации магнитного поля его изображают с помощью линий магнитной индукции (силовые линии поля) (d):

Линия индукции магнитного поля — линия, касательная к каждой точке которой совпадает с вектором магнитной индукции в этой точке.

Линии индукции магнитного поля замкнутые, они не имеют ни начала, ни конца.

Поле, силовые линии которого являются замкнутыми, называют вихревым.

Применение силы Ампера в электроизмерительных приборах

Известно, что существуют различные системы электроизмерительных приборов — амперметра, вольтметра и ваттметра. Это магнитоэлектрические, электромагнитные и электродинамические системы. Принцип работы всех этих систем основан на действии магнитного поля на проводник с током.

Принцип работы приборов магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита с магнитным полем, возникающим вследствие прохождения измеряемого тока через проводящую рамку (е).

Принцип работы прибора электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, возникающего в результате прохождения измеряемого тока через неподвижную катушку, с подвижным стальным сердечником, помещенным в это поле (f).

Принцип действия прибора электродинамической системы основан на взаимодействии магнитных полей токов, протекающих по неподвижной и подвижной катушкам (или системам катушек) (g).

Магнитный поток и явление электромагнитной индукции

После проведения многочисленных опытов М. Фарадей в 1831 году установил, что изменения магнитного поля приводят к возникновению электрического тока в замкнутом проводящем контуре.

Явление возникновения электрического тока в замкнутом проводящем контуре, помещенном в изменяющееся магнитное поле, называют электромагнитной индукцией, а возникающий ток — индукционным током.

Возникновение переменного магнитного поля всегда сопровождается созданием в окружающем пространстве вихревого электрического поля.

Вихревое электрическое поле отличается от электростатического:

• a)    электростатическое поле создается неподвижным электрическим зарядом, а вихревое электрическое поле создается переменным магнитным полем;
• b)    линии напряженности электростатического поля не замкнуты: они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах. Линии напряженности вихревого электрического поля не имеют ни начала, ни конца — эти линии замкнуты.

В 1833 году русский физик Э. Ленц установил общее правило определения направления индукционного тока, так называемое правило Ленца:

Индукционный ток принимает такое направление, что созданное им магнитное поле противодействует тому изменению внешнего магнитного поля, которое стало причиной возникновения тока.

При усилении внешнего магнитного поля магнитное поле индукционного тока ослабляет это изменение — вектор индукции магнитного поля индукционного тока направлен против вектора индукции внешнего магнитного поля (1).

При ослаблении внешнего магнитного поля магнитное поле индукционного тока препятствует изменению, то есть стремится к тому, чтобы это поле не ослабло. Вектор индукции магнитного поля индукционного тока направлен так же, как и вектор индукции внешнего магнитного поля (2).

Магнитный поток

Если поместить замкнутый контур (рамку) в однородное магнитное поле, то через площадь S, ограниченную этим контуром, проходит определенное количество линий магнитной индукции (с). Величину, прямо пропорциональную числу этих линий индукции, называют потоком магнитной индукции, или просто магнитным потоком.

Поток магнитной индукции (Ф) — скалярная физическая величина, равная произведению модуля вектора магнитной индукции, площади контура и косинуса угла между вектором магнитной индукции и нормалью к площади контура:

Магнитный поток относится к скалярным величинам, которые могут принимать положительные, отрицательные значения, а также равняться нулю:

• —   если угол между вектором индукции и нормалью к плоскости контура острый, то магнитный поток принимает положительные значения, а если этот угол тупой — отрицательные;
• —    если вектор индукции перпендикулярен плоскости контура, то есть параллелен нормали к плоскости, то тогда магнитный поток, пронизывающий плоскость контура, принимает максимальное значение:

Единицей измерения магнитного потока в СИ является вебер (1 Вб):

1 Вебер — магнитный поток, пронизывающий поверхность площадью 1 м², ограниченную проводящим контуром, расположенным в магнитном поле с индукцией 1 Тл перпендикулярно линиям индукции поля.

Явление электромагнитной индукции

В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей (1791-1867) открыл явление электромагнитной индукции и показал существование взаимосвязи между электрическим и магнитным полем.

Вы знаете, что при введении в катушку, соединенную с гальванометром, постоянного магнита, и выведении его из катушки в витках катушки возникает индукционный ток. А если магнит неподвижен внутри катушки или совершает вращательное движение внутри катушки, то ток не возникает. Значит, причиной возникновения индукционного тока является изменение магнитного потока, пронизывающего контур (d и е).

Возникновение электрического тока в проводящем контуре в результате изменений магнитного потока, пронизывающего площадь, ограниченную этим контуром, называют явлением электромагнитной индукции.

Направление индукционного тока зависит от того, увеличивается или уменьшается пронизывающий контур магнитный поток.

1. Магнитный поток увеличивается  Это случай, когда магнит приближается к контуру. В результате магнитный поток растет, индукционный ток, возникающий в контуре при изменении внешнего поля, создает свое собственное магнитное поле. Это вновь созданное поле отталкивает приближающийся к катушке магнит. Значит, вектор индукции внешнего поля, создавшего ток в контуре, направлен против вектора собственного магнитного поля контура с током (см. d). В этом случае магнит и контур отталкиваются одноименными магнитными полюсами. Для круговых токов можно применять правило правого буравчика и легко определить, как направлен индукционный ток — его направление совпадает с направлением вращения стрелки часов.

Правило правого буравчика для кругового тока

Правило правого буравчика для кругового тока: при вращении рукоятки буравчика по направлению кругового тока направление его поступательного движения совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля внутри кругового тока (f).

2. Магнитный поток уменьшается Это случай, когда магнит выводится из катушки. В результате магнитный поток уменьшается. Возникающий в контуре индукционный ток принимает такое направление,  при котором вектор индукции его собственного магнитного ноля направлен так же, как и вектор индукции внешнего магнитного поля . В этом случае магнит и контур притягиваются, как магниты, противоположными полюсами (см. е). На основе правила правого буравчика устанавливается, что индукционный ток направлен против направления вращения стрелки часов.

Итак, возникающий в замкнутом проводящем контуре индукционный ток всегда направлен так, что его собственное магнитное поле препятствует тем изменениям внешнего магнитного поля, которые стали причиной возникновения этого тока.

Это правило Ленца, позволяющее определить направление индукционного тока.

Закон электромагнитном индукции

Упорядоченное движение заряженных частиц называется электрическим током.

Для существования непрерывного электрического тока в проводнике необходимо выполнение следующих условий: наличие в проводнике заряженных частиц (носителей заряда), способных свободно перемещаться по проводнику; действие электрической силы, способной перемещать эти частицы в определенном направлении; проводник (цепь, состоящая из проводников), по которому проходит электрический ток, должен быть замкнутым.

За направление электрического тока условно принято направление вектора напряженности электрического поля внутри проводника.

За направление электрического тока принято направление движения положительных зарядов (против направления движения свободных электронов).

Зависимость силы тока в данном проводнике от напряжения на его концах проводника и от его сопротивления выражается законом Ома для участка цепи постоянного тока.

Сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению:

Индукционный ток, как и любой другой, создается электрическим полем.

Существование переменного магнитного поля всегда сопровождается появлением в окружающем пространстве вихревого электрического поля. Именно вихревое электрическое поле (а не переменное магнитное) действует на свободные электроны в замкнутом контуре и способствует возникновению индукционного тока в нем.

Вихревое электрическое поле существенно отличается от электростатического:

• а) Электростатическое поле создается покоящимися зарядами, а вихревое электрическое переменным магнитным полем;
• b) Линии напряженности электростатического поля не замкнуты: они начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах. Линии напряженности вихревого электрического поля не имеют ни начала, ни конца, они замкнуты как линии индукции магнитного поля.

Кстати:

Одним из современных видов общественного транспорта является поезд на воздушной подушке, движущийся в подвешенном состоянии левитации -без непосредственного контакта с дорогой. Вместо колес шасси этого поезда, называемого МагЛев, оснащено электромагнитной опорой и направляющими магнитами. Железная дорога состоит из проводящего рельса Т-образной формы, оснащенного электромагнитом, создающим мощный индукционный ток. Такой поезд, испытания которого проводились в Японии вблизи города Фудзияма, показал рекордную скорость 603  На рисунке показана упрощенная схема МагЛева (а).

Вихревое электрическое поле и ЭДС индукции

Причиной возникновения индукционного тока в замкнутом проводящем контуре является возникновение вихревого электрического поля вокруг переменного магнитного ноля, которое, действуя на свободные электроны в контуре, приводит их в упорядоченное движение -создает индукционный электрический ток. Работа вихревого электрического поля по перемещению положительного единичного заряда по замкнутому проводнику характеризуется физической величиной, называемой электродвижущей силой индукции (ЭДС индукции).

Электродвижущая сила индукции — скалярная физическая величина, равная отношению работы, совершенной вихревым электрическим полем при перемещении положительного единичного заряда вдоль замкнутого контура, к величине этого заряда:

В проведенном исследовании явления электромагнитной индукции вы определили, что значение возникшего в замкнутом контуре индукционного тока пропорционально скорости изменения магнитного потока, проходящего через поверхность, ограниченную этим контуром. Значит, и электродвижущая сила индукции, создающая индукционный ток в проводящем контуре, зависит от скорости изменения внешнего магнитного потока.

Если за очень малый промежуток времени  магнитный поток изменяется на то отношение является скоростью изменения магнитного потока.

Закон электромагнитной индукции

На основе вышесказанного можно выразить закон электромагнитной индукции:

ЭДС индукции, возникающая в замкнутом проводящем контуре, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через ограниченную этим контуром поверхность:

Знак минус в выражении (2) указывает на то, что магнитный поток индукционного тока препятствует изменению внешнего магнитного потока, породившего индукционный ток.

Если контур состоит из N числа витков, го выражение (2) принимает вид:

Здесь  — ЭДС индукции, единицей ее измерения является вольт (1 В):

Сила индукционного тока, возникающего в замкнутом проводящем контуре, определяется согласно закону Ома для участка цепи:

Здесь R — сопротивление контура.

ЭДС индукции в движущихся в магнитном поле проводниках. При движении проводника в магнитном поле находящиеся внутри него свободные заряженные частицы движутся вместе с ним. По этой причине на каждую частицу действует сила Лоренца. В результате свободные заряды, перемещаясь внутри проводника, совершают упорядоченное движение — в проводнике возникает ЭДС индукции.

Возникающая ЭДС индукции зависит от скорости проводника, длины части проводника, находящейся в поле, и модуля вектора магнитной индукции. Это легко доказывается на основе закона электромагнитной индукции.

Представим, что проводник длиной переместился в магнитном поле индукцией на в направлении, перпендикулярном вектору индукции (b). ЭДС индукции, возникающая при этом в проводнике: 

Здесь принято во внимание, что и (см. b). Если вектор скорости составляет угол с вектором магнитной индукции, то ЭДС индукции определяется так:

Направление индукционного тока в проводнике, движущегося в магнитном иоле, удобно определять правилом правой руки:

Правую руку следует держать в магнитном поле так, чтобы вектор входил в ладонь, а отогнутый на 90° большой палец показывал направление движения проводника, тогда четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока.

Кстати:

Принцип работы электронных счетчиков потребления, используемых в быту, основан на применении закона электромагнитной индукции. Например, в электронных счетчиках потребления воды в проводящем электрический ток потоке жидкости возникает ЭДС индукции, пропорциональная скорости жидкости. Индукционный ток в электронной части прибора преобразуется в цифровой сигнал.

ЭДС самоиндукции и энергия магнитного поля

Инертность — одно из важнейших свойств тела (происходит от латинского слова «inertia» — бездеятельность, ленивость).

Инертность — это свойство тел, выражающееся в том, что на изменение скорости тела всегда требуется определенное время. Явление сохранения телом состояния покоя или прямолинейного равномерного движения при отсутствии действия на тело других тел (когда действующие на тело силы уравновешивают друг друга) называется инерцией.

Мера инертности тела — его масса.

Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется кинетической энергией. Кинетическая энергия тела зависит от массы тела и модуля его скорости (не от направления):

Так как магнитные свойства разных веществ различны, то индукция магнитного поля, созданного в них одним и тем же источником поля, будет различна. Магнитные свойства веществ характеризуются величиной, называемой магнитной проницаемостью вещества.

Магнитная проницаемость вещества показывает, во сколько раз модуль индукции однородного магнитного поля В в веществе отличается от индукции этого магнитного поля в вакууме В_о:

Здесь (мю) — магнитная проницаемость вещества. Это безразмерная величина.

Прохождение электрического тока через газ при отсутствии внешнего воздействия называется самостоятельным разрядом. Одним из видов самостоятельного газового разряда является искровой разряд.

Искровой разряд возникает в воздухе при высоком напряжении между электродами и наблюдается в виде светящихся узких каналов зигзагообразной формы. Температура в канале разряда может достигать 10 ООО °С, сила тока до 5000 А, напряжение до 10⁴ В.

Кстати:

Наверно, каждый из вас наблюдал появление кратковременной искры при вынимании вилки прибора в рабочем режиме из электрической розетки. Это значит, что в воздухе между вилкой прибора и электрической розеткой возник самостоятельный разряд с напряжением несколько тысяч вольт. Такая искра иногда приводит к выводу из строя вилки или розетки.

ЭДС самоиндукции

Электрический ток, существующий в любом замкнутом контуре, создает собственное магнитное поле (находится в собственном магнитном поле). При изменении силы тока в контуре одновременно происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока приводит к возникновению вихревого электрического поля, и в результате в этом контуре возникает ЭДС индукции.

Явление возникновения ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре в результате изменения силы тока в нем называют самоиндукцией.

При увеличении силы тока в замкнутом контуре от нуля до определенного значения увеличивается и проходящий через этот контур магнитный поток. Возникающая в контуре в результате увеличения магнитного потока ЭДС самоиндукции создает индукционный ток, направленный против проходящего по контуру основного тока — индукционный ток замедляет рост основного тока и достижение им максимального значения — на увеличение силы тока до максимального значения уходит определенное время (кривая OA, b).

При размыкании цепи сила тока уменьшается от максимального значения до нуля, вместе с этим уменьшается магнитный поток. Уменьшение магнитного потока приводит к возникновению в контуре ЭДС самоиндукции, которая в свою очередь создает в этом контуре индукционный ток, направленный, согласно правилу Ленца, так же, как и основной ток, и замедляющий его уменьшение (кривая ВС, b).

Из вышесказанного становится ясно, что возникающий в контуре собственный магнитный поток прямо пропорционален силе проходящего через контур тока — или:

Здесь L является коэффициентом пропорциональности (между и ) и называется индуктивностью контура (катушки).

Индуктивность зависит от геометрических размеров контура (катушки), от магнитной проницаемости среды внутри него, от числа витков. Она не зависит от силы тока в контуре и магнитного потока.

Индуктивность — скалярная величина, единица ее измерения в СИ названа генри (1 Гн), в честь американского ученого Джозефа Генри:

1 Гн — индуктивность такого контура (катушки), в которой при силе тока 1 А через контур проходит собственный магнитный поток 1 Вб.

Если учесть выражение (1) в законе электромагнитной индукции, то получим, что ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения силы тока, проходящего через контур:

Здесь — ЭДС самоиндукции, — скорость изменения силы тока в контуре.

Энергия магнитного поля

Согласно закону сохранения энергии, работа, совершенная при создании ЭДС индукции, будет равна энергии магнитного поля, создавшего его. Для определения этой энергии удобно воспользоваться схожестью явления самоиндукции с явлением инерции. Так, индуктивность L играет такую же роль при изменениях силы тока в электромагнитных процессах, какую играет масса — при изменениях скорости в механических процессах. Тогда для энергии магнитного поля, создаваемого контуром в электромагнитных явлениях, можно принять выражение, аналогичное выражению кинетической энергии тела в механических явлениях:

Если в этом выражении учесть формулу (1), получим ещё две формулы для энергии магнитного поля:

Из теоретических вычислений получено, что плотность энергии магнитного поля прямо пропорциональна квадрату магнитной индукции и обратно пропорциональна магнитным свойствам среды:

Здесь — магнитная постоянная: