Магнитное поле

МИНОБРАНАУКИ  РОССИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРНСИТЕТ им. Н.П. Огарева

 

 

 

Факультет довузовской подготовки и среднего профессионального образования

 

 

 

Реферат

По дисциплине «физика»

На тему: «Магнитное поле».

 

 

Выполнила:

Студентка 211 группы

Спец.: «Право и организация 

социального обеспечения»

Асабина Светлана

Проверила: преподаватель ФДП и  СПО

Е.А.Мишанина

 

  Саранск, 2012

Содержание

Стр.

Введение……………………………………………………………………............3

1. Основные понятия теории магнитного поля………………………………….4

        1.1. Магнитное поле и его параметры………………………………………5

        1.2. Магнитные цепи………………………………………………………….7

2. Закон Ома для магнитной цепи. Линейные и нелинейные магнитные сопротивления…………………………………………………………………….10

       2.1 Электромагнитная индукция. ЭДС индукции……..................................11

      2.2. Самоиндукция……………………………………………………………13

Заключение…………………………………………………………………….......15

Список используемой литературы………………………………………………16

 

 

Введение

История магнетизма уходит корнями в глубокую древность, к античным цивилизациям Малой Азии. Именно на территории Малой  Азии, в Магнезии, находили горную породу, образцы которой притягивались  друг к другу. По названию местности  такие образцы и стали называть "магнетиками". Любой магнит в  форме стержня или подковы  имеет два торца, которые называются полюсами; именно в этом месте сильнее  всего и проявляются его магнитные  свойства. Если подвесить магнит на нитке, один полюс всегда будет указывать  на север. На этом принципе основан  компас. Обращенный на север полюс  свободно висящего магнита называется северным полюсом магнита (N). Противоположный  полюс называется южным полюсом (S).

Магнитные полюсы взаимодействуют друг с другом: одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Аналогично концепции электрического поля, окружающего  электрический заряд, вводят представление  о магнитном поле вокруг магнита.

В 1820 г. Эрстед (1777-1851) обнаружил, что магнитная  стрелка, расположенная рядом с  электрическим проводником, отклоняется, когда по проводнику течет ток, т. е. вокруг проводника с током создается  магнитное поле. Если взять рамку  с током, то внешнее магнитное  поле взаимодействует с магнитным  полем рамки и оказывает на нее ориентирующее действие, т. е. существует такое положение рамки, при котором внешнее магнитное  поле оказывает на нее максимальное вращающее действие, и существует положение, когда вращающий момент сил равен нулю.

 

 

 

 

 

 

 

Основные понятия теории магнитного поля.

 

Магнитное поле — составляющая электромагнитного  поля, появляющаяся при наличии изменяющегося  во времени электрического поля. Кроме  того, магнитное поле может создаваться  током заряженных частиц, либо магнитными моментами электронов в атомах (постоянные магниты). С точки зрения квантовой  теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозон-фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля). Основной характеристикой магнитного поля является его сила, определяемая вектором магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля). В СИ магнитная индукция измеряется в теслах (Тл), в системе СГС в гауссах.

Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Магнитное поле и его параметры.

 

Направление магнитных линий и направление  создающего их тока связаны между  собой известным правилом правоходового  винта (буравчика), а так же правилом левой руки. (рис. 1).

 

Рис. 1. Магнитное поле. Правило Буравчика  и правило левой руки.

Основной  величиной, характеризующей интенсивность  и направление магнитного поля является – вектор магнитной индукции, которая измеряется в Теслах [Тл].

Вектор направлен по касательной к магнитной линии, направление вектора совпадает с осью магнитной стрелки, помещенной в рассматриваемую точку магнитного поля.

Величина определяется по механической силе, действующей на элемент проводника с током, помещенный в магнитное поле.

Если во всех точках поля имеет одинаковую величину и направление, то такое поле называется равномерным.

 зависит не только  от величины I, но и от магнитных  свойств окружающей среды.

Второй  важной величиной, характеризующей  магнитное поле является – магнитный  поток  , который измеряется в Веберах [Вб].

Элементарным  магнитным потоком Ф сквозь бесконечно малую площадку называется величина (рис. 2)

 

 

Рис. 2. Определение магнитного потока, пронизывающего: а) произвольную поверхность; б) плоскую поверхность в равномерном магнитном поле

При исследовании магнитных полей и расчете  магнитных устройств пользуются расчетной величиной  – напряженность магнитного поля [А/м]

где mа – абсолютная магнитная проницаемость среды.

Для неферромагнитных материалов и сред (дерево, бумага, медь, алюминий, воздух) mа не отличается от магнитной проницаемости вакуума и равна:

 

ma = 4p · , Гн/м (Генри/метр

(рис.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Магнитные цепи

 

Всякий  электромагнит состоит из стального  сердечника – магнитопровода и намотанной на него катушки с витками изолированной  проволоки, по которой проходит электрический  ток.

Совокупность  нескольких участков: ферромагнитных (сталь) и неферромагнитных (воздух), по которым замыкаются линии магнитного потока, составляют магнитную цепь.

В основе расчета магнитных цепей лежит закон полного тока (рис.3).

 

( рис.2)

 

где: Н –  напряженность магнитного поля в  данной точке пространства;

dL – элемент длины замкнутого контура L;

a – угол  между направлениями векторов  и ;

S I – алгебраическая  сумма токов, пронизывающих контур L.

Рис. 3. Закон полного тока.

 

Ток Iк, пронизывающий контур L считается положительным, если принятое направление обхода контура и направление этого тока связаны правилом право ходового винта (буравчика).

Применение  закона полного тока для расчета  магнитных цепей

Рассмотрим  простейшую магнитную цепь, выполненную  в виде кольца тороида из однородного материала (рис.4) .

 

Рис. 4. Кольцевая магнитная цепь

 

Обмотка имеет W витков и обтекается током I. Магнитные линии внутри кольца представляют собой концентрические окружности с центров точке О. Применим к  контуру Cх, совпадающему с одной из магнитных линий, проходящих в магнитопроводе, закон полного тока. При этом будем считать:

и совпадают, следовательно a = 0;

величина  Нх во всех точках контура одинакова;

сумма токов, пронизывающих контур, равна IW.

Тогда:

 

(рис.4)

 

Отсюда:

 

(рис.6)

 

где Lx – длина контура, вдоль которого велось интегрирование;

rx – радиус окружности.

Вектор  внутри кольца зависит от расстояния rх. Если a – ширина кольца << d, то эта разница между значениями Н в пределах сердечника не велика. При этом в расчет допустимо принять для всего поперечного сечения магнитопровода одно значение напряженности магнитного поля:

 

Hср = IW / L,

(рис.7)

где L – длина  средней магнитной линии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Закон Ома для магнитной цепи. Линейные и нелинейные магнитные  сопротивления.

В кольцевом  магнитопроводе с равномерной обмоткой все поле концентрируется внутри кольца.

Определим в этом случае магнитный поток  в магнитопроводе с распределенной обмоткой.

Исходя  из соотношений Ф = Bср S и Bср = mа Hср получим:

 

  

 

(рис.8)

Магнитный поток Ф зависит от произведения IW = F, которое получило название магнитодвижущей  силы (МДС).

Величину L /(mа S) = Rм – принято назвать магнитным сопротивлением магнитопровода (по аналогии с электрическим сопротивлением r = L / γ S).

Магнитное сопротивление воздуха (зазоров) линейное, т.к. mа = mo = const. Магнитное сопротивление сердечника нелинейно – mа зависит от В.

Если  намагничивающую силу F, уподобить  действию ЭДС, будет получено соотношение, похожее на выражение закона Ома  для цепи постоянного тока. В связи  с этим формулу:

 

(рис.9)

принято назвать законом Ома для магнитной цепи. Следует оговориться, что эта аналогия – формальная, а физическая сущность процессов в электрических и магнитных цепях различна.

 

 

 

 

Электромагнитная  индукция. ЭДС индукции.

 

Работу  сил вихревого электрического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура  называют электродвижущей силой  индукции ().

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна  по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.

 

 

(рис.10)

ЭДС индукции и направление индукционного  тока в замкнутом круговом проводнике (в катушке)

 

 

(рис.11)

 

Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: возникающий в  замкнутом контуре индукционный ток противодействует тому изменению  магнитного потока, которым вызван данный ток.

 

(рис.12) Направление индукционного тока по правилу Ленца

магнитное поле закон ом

ЭДС индукции и направление индукционного  тока в прямолинейном проводнике движущемся в магнитном поле.

=

(рис.13)

Направление индукционного тока, определяется правилом правой руки: если ладонь провой руки расположить  так, чтобы вектор магнитной индукции входил в ладонь, а отставленный большой палец совпадал с направлением скорости проводника, то четыре вытянутых пальца укажут направление индукционного тока.

(рис.14)Направление индукционного тока по правилу правой руки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Самоиндукция.

При изменении  силы тока в катушке происходит изменение  магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, вызывает появление ЭДС индукции в катушке, называемой ЭДС самоиндукции. Под действием ЭДС самоиндукции в катушке появляется ток самоиндукции, который противодействует изменению основного тока в цепи, вызывающего это явление, называемое самоиндукцией.

(рис.15) Нарастание (убывание) тока с течением времени при замыкании (размыкании цепи).

Явление возникновения ЭДС в электрической  цепи в результате изменения силы тока в этой же цепи называется самоиндукцией.

 – магнитный поток самоиндукции контура,

где L — индуктивность контура или коэффициент самоиндукции (L зависит от размеров и формы проводника, от магнитных свойств среды).

 

- ЭДС самоиндукции

(рис.16)

 

Индуктивность — это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей  в контуре при изменении силы тока на 1А за 1с.

 

, при 

(рис.17)

 

Единица индуктивности:

 

(рис.18)

Индуктивность проводника равна 1 Гн, если в нем  при изменении силы тока на 1A за 1с  возникает =1 В.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Магнитное поле, одна из форм электромагнитного  поля. Создается движущимися электрическими зарядами и спиновыми магнитными моментами, а также переменным электрическим  полем. Действует на движущиеся электрические  заряды и тела, обладающие магнитным  моментом. Характеризуется магнитной  индукцией (или напряженностью). Индукция магнитного поля Земли (в единицах СИ) около 0,00005 Тл, наиболее сильными крупномасштабными  магнитными полями обладают нейтронные звезды (около 100 млн. Тл).