Напруженість магнітного поля, його базові характеристики. Приклади завдань

Напевно, всі ми стикалися в дитинстві з чудовими властивостями звичайних магнітів. Невеликий шматок металу привертав до себе одні шматочки заліза і відштовхував інші. Дивовижні властивості магніту цим не обмежуються. Наприклад, магніт, підвішений на нитці, завжди розташовується в просторі певним чином – це властивість лягло в основу винаходу компаса. Кінцеві точки магніту є найбільш «потужними». Їх прийнято називати «полюсами». Специфічні властивості магніту обумовлені його магнітними полями, які не є речовиною, але ведуть себе досить відчутно. Однією з найважливіших характеристик є напруженість магнітного поля.

Характеристики магнітного поля

Будь-яке магнітне поле має енергію, яка проявляє себе при взаємодії з іншими тілами. Під впливом магнітних сил рухомі частинки змінюють напрямок свого потоку. Магнітне поле з'являється лише навколо тих електричних зарядів, які знаходяться в русі. Всяка зміна електричного поля тягне за собою поява магнітних полів. Зворотне твердження також вірно: зміна магнітного поля - передумова до виникнення електричного. Таке тісна взаємодія призвело до створення теорії електромагнітних сил, з допомогою яких і сьогодні успішно пояснюються різні фізичні явища.

Зображення магнітних полів

Магнітне поле можна зобразити на аркуші паперу за допомогою силових ліній. Їх малюють таким чином, щоб реальний напрям сил поля в кожній крапці збігалося з намальованими. Напрямки силових полів можуть бути визначені за допомогою компасну стрілку, північний полюс якої завжди направлений по дотичній до силової лінії. Північний полюс прийнято позначати місцем, звідки виходять силові лінії магнітного поля, і південний – місцем їх входження. Слід пам'ятати, що такий поділ досить умовно, і приймається до уваги тільки із-за своєї наочності.

Що таке магнітна напруженість

Залізні ошурки, складаються уздовж магнітних полів, доводять, що магнітне поле має два важливі показники – величину і напрям. В будь-якій точці простору магнітне поле поширюється зі швидкістю, рівної швидкості світла у вакуумі - 300000 кілометрів/сек. Щоб дати визначення характеристиками магнітного поля, вчені ввели величину «напруженість». Це векторна величина, яка вказує напрям дії магнітного поля і на кількість його силових ліній. За своїми характеристиками напруженість магнітного поля аналогічна поняттю «сили» в механіці. Цей показник не залежить від параметрів середовища, в якій проводяться експерименти, а тільки від сили магнітного потоку і відстані до джерела, що продукує полі. У різних випадках таким джерелом може служити одиночний магніт, магнітна котушка, електричний дріт. У кожному з цих випадків виникає магнітне поле з певними характеристиками.

Напруженість електромагнітного поля в експериментах

Розглянемо окремий провід, по якому рухається електричний струм. При русі цього дроту навколо нього виникає магнітне поле. Його характеристики можна виразити через напруженість, яка визначається мірою впливу магнітного поля на досліджуване тіло. Можна дослідити магнітне поле всередині котушки. У цьому випадку напруженість буде прямо залежати від кількості витків котушки і відстані між нею і досліджуваним тілом. Об'єднуючи ці два висновки, можна підвести підсумки: напруженість магнітного поля в будь-якій точці простору обернено пропорційна довжині магнітної лінії і прямо пропорційна добутку кількості витків котушки на силу струму.

Магнітна індукція

Визначення напруженості магнітного поля було б неповним без поняття «магнітна індукція». Ця величина пояснює, яку роботу здатне виробляти даний магнітне поле. Чим сильніше магнітне поле, тим більше воно може виробляти, тим більше його значення магнітної індукції. У фізиці магнітна індукція позначається літерою B. Наочно її можна зобразити у вигляді щільності магнітних силових ліній, що припадають на одиницю площі поверхні, яка розташована перперндикулярно до вимірюваного магнітного поля. В даний час магнітна індукція вимірюється в Теслах.

Магнітний потік

Ще одна величина, ємко характеризує магнітне поле. Магнітний потік визначає, яке кількість силових ліній пронизує певну одиницю площі. В однорідному магнітному полі значення магнітного потоку буде обчислено за формулою: Ф= B/S, де: Ф - магнітний потік; B - значення магнітної індукції; S – площа, через яку проходячи силові лінії магнітного поля. У системі одиниць СІ магнітний потік вимірюється у Веберах.

Формула напруженості

Фізичний зміст цієї величини можна виразити формулою: Н= Ix?/L, де: Н - напруженість магнітного поля; L – відстань між тілом і джерелом магнітного поля; ? – кількість витків котушки; I – сила струму в електричному ланцюзі. З цього рівняння можна зробити висновок, що напруга вимірюється у[А/м], оскільки витки в котушці - кількісна величина.

Намагнічує сила

Твір НxI в даній формулі є не чим іншим, як аналогією напруги електричного поля. Якщо цей параметр застосувати до всієї довжині лінії магнітної індукції, то отримане твір буде носити назву намагнічує сили (н. с). Ця фізична величина вимірюється в амперах, але фахівці воліють термін «ампер-виток», що підкреслює пряму залежність сили від кількості витків котушки.

Правило буравчика

Щоб визначити напрям магнітного поля котушки або проводу, фахівці застосовують правило буравчика. Якщо «вкручивающее» рух уявного буравчика паралельно напрямку струму в ланцюзі, то "рукоятка" буравчика показує, як будуть розташовуватися силові лінії магнітного поля.

Приклади визначення напруженості магнітного поля

Приклад 1. Є котушка з кількістю витків 100 і має довжину 10 див Необхідно забезпечити задане значення напруженості магнітного поля в 5000А/м. Якої сили струм повинен протікати по котушці? Рішення: згідно з визначенням, намагнічує сила котушки дорівнює Н = Ix?/L. А твір НxI дає намагничивающую силу. Звідси можна вивести значення сили струму, що дорівнює: 5000А/м*01 м = сила струму * кількість витків. Вирішуючи просту пропорцію, одержуємо, що сила струму в даній задачі повинна бути дорівнює 5А. Приклад 2. У котушці 2000 витків, через неї протікає струм силою до 5 Ампер. Чому дорівнює намагничивающаяся сила котушки? Рішення: проста формула дає відповідь: н. с.= Ix?. Таким чином н. с = 2000x5 = 10000 ампер-витків. Приклад 3. Як визначити напруженість магнітного поля прямого електричного дроту на відстані 5 см? Сила струму, поточного через дріт, дорівнює 30 А. У цьому прикладі нам також знадобиться формула H•l = I•?. У разі прямого проводу кількість витків котушки буде дорівнює 1 а довжина l = 2•?•r. Звідси можна вивести, що Н = 30/(2*314*002) = 23885 А/м. Ці та подібні завдання легко можна вирішити за допомогою базового курсу шкільної фізики. Рішення таких нескладних прикладів допоможе зрозуміти якісну суть електромагнітних процесів у навколишньому нас природі.