Индукция магнитного поля. Магнитный поток

Науку часто смешивают с знанием.

Это глубокое недоразумение.

Наука есть не только знание,

но и сознание, т.е. умение пользоваться знанием.

Василий Осипович Ключевский.

В прошлой теме речь шла о магнитных линиях, о действиях магнитного поля, о его свойствах.

Вспомним основные понятия, связанные с магнитным полем.

Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды.

Магнитные линии — это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле.

Так же напомним, что направление линий магнитного поля будет зависеть от направления тока в проводнике.

Это направление можно определить с помощью правила буравчика: если поворачивать головку винта так, чтобы поступательное движение острия винта происходило вдоль тока в проводнике, то направление вращения головки указывает направление линий магнитного поля тока.

В данной теме речь пойдёт о количественных характеристиках магнитного поля.

Известно, что одни магниты создают в пространстве более сильные поля, чем другие.

Рассмотрим простой пример. Возьмем два полосовых магнита и поместим их над кучкой железных опилок и гвоздей. Как видно из опыта, сила притяжения к первому магниту оказалась достаточной для преодоления силы тяжести гвоздей, а сила притяжения ко второму — нет.

Какой же величиной можно охарактеризовать магнитное поле? Магнитное поле характеризуется векторной физической величиной, которая обозначается B и называется индукцией магнитного поля (или магнитной индукцией).

Индукция магнитного поля — одна из важнейших количественных характеристик магнитного поля.

Что это за величина?

Рассмотрим следующий опыт. По проводнику протекает ток в направлении «от нас». Линии магнитного поля выходят из северного полюса магнита и входят в его южный полюс. Тогда, согласно правилу левой руки, о котором говорилось в прошлой теме, на проводник будет действовать сила со стороны магнитного поля, и эта сила будет направлена вниз. Таким образом, равновесие будет нарушаться, а величину вклада такой силы можно измерять при помощи разновесов, которые можно добавить на чашу на противоположном конце весов.

В результате многочисленно повторенных опытов было установлено, что сила, действующая на проводник, зависит от:

– самого магнитного поля магнита — более мощный магнит действует на данный проводник с большей силой;

– силы тока, протекающего по проводнику,

– длины самого проводника.

В результате таких опытов, проведенных Ампером и Араго в начале XIX в., было определено, что отношение максимальной действующей силы на проводник с током к силе тока в проводнике и длине проводника остаётся постоянной для этого магнитного поля, и именно она характеризует данное магнитное поле. Поэтому было введено понятие вектора магнитной индукции, как силовой характеристики магнитного поля.

Магнитная индукция — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, численно равная отношению модуля силы, с которой магнитное поле действует на расположенный перпендикулярно магнитным линиям проводник с током, к силе тока в проводнике и его длине.

Единицей измерения магнитной индукции в системе СИ является Тл (Тесла) в честь югославского электротехника Николы Тесла.

1 Тесла — это магнитная индукция такого однородного магнитного поля, в котором на контур с единичным магнитным моментом действует единичный вращающий момент.

Магнитная индукция полностью характеризует магнитное поле. В каждой точке может быть найден ее модуль и направление.

До сих пор для графического изображения магнитных полей использовались линии, которые условно называли магнитными линиями или линиями магнитного поля. Теперь можно уточнить их название и дать определение этих линий.

Более точное название магнитных линий — это линии магнитной индукции (или линии индукции магнитного поля).

Линиями магнитной индукции называются линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением вектора магнитной индукции.

Данное определение линий магнитной индукции можно пояснить с помощью рисунка. На нем кружочком с точкой изображен проводник с током, расположенный перпендикулярно к плоскости чертежа. Окружность вокруг проводника представляет собой одну из линий индукции магнитного поля, созданного протекающим по проводнику током.

Видно, что проведенные к этой окружности касательные в любой точке совпадают с вектором магнитной индукции.

Так как в каждой точке магнитное поле характеризуется определенным значением индукции, то через каждую точку поля можно провести линию магнитной индукции и, причем, только одну. При этом линии магнитной индукции замкнуты и не пересекаются.

Теперь, пользуясь термином «магнитная индукция», дадим более строгое определение однородного и неоднородного магнитных полей. Для этого обратимся к рисункам.

В изображенном на рисунке однородном магнитном поле (линии магнитной индукции которого расположены параллельно друг другу и с одинаковой густотой) вектор магнитной индукции во всех произвольно выбранных точках поля одинаков как по модулю, так и по направлению.

Сравним это поле с двумя неоднородными полями: полем постоянного полосового магнита и полем тока, протекающего по прямолинейному участку проводника.

Легко заметить, что в неоднородных полях, в отличие от однородного, вектор магнитной индукции меняется от точки к точке.

Т.о. магнитное поле называется однородным, если во всех его точках магнитная индукция одинакова. В противном случае поле называется неоднородным.

Для объяснения опытов, которые будут проводиться в дальнейшем, нам необходимо ввести еще одну физическую величину — магнитный поток.

Под словом «поток» понимают в обыденной жизни — это, например, поток воды или поток воздуха.

Возьмем кусок плотной бумаги с отверстием. Подуем в отверстие, подставив руку с обратной стороны листа. Сильнее дуем — больше поток воздуха. Будем дуть с такой же силой, но часть отверстия прикроем — поток уменьшится. И наконец, если плоскость листа бумаги поставим параллельно направлению потока выдуваемого воздуха, рука практически не почувствует влияние воздушного потока.

Аналогично и с магнитным потоком. При усилении магнитного поля количество силовых линий возрастает, следовательно, возрастает и магнитный поток.

Уменьшение площади контура при неизменной индукции магнитного поля приводит к уменьшению числа линий, пронизывающих контур и, следовательно, к уменьшению магнитного потока.

Поворот контура также приводит к изменению числа линий, пронизывающих замкнутый контур.

Если же плоскость контура параллельна линиям магнитной индукции, то поток сквозь него равен 0.

Согласно определению (которое дается в курсе физики старших классов) магнитный поток через плоскую поверхность — это скалярная физическая величина, численно равная произведению модуля магнитной индукции на площадь поверхности, ограниченной контуром, и на косинус угла между нормалью к поверхности и магнитной индукцией.

В системе СИ единицей магнитного потока является Вб (вебер).

1 вебер — это магнитный поток однородного магнитного поля с индукцией 1 Тл через перпендикулярную ему поверхность площадью 1 м².

Основные выводы:

– Магнитная индукция — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, численно равная отношению модуля силы, с которой магнитное поле действует на расположенный перпендикулярно магнитным линиям проводник с током, к силе тока в проводнике и его длине.

– Единицей измерения магнитной индукции в системе СИ является Тл (Тесла).

– Магнитная индукция полностью характеризует магнитное поле. В каждой точке может быть найден ее модуль и направление.

– Магнитный поток через плоскую поверхность — это скалярная физическая величина, численно равная произведению модуля магнитной индукции на площадь поверхности, ограниченной контуром, и на косинус угла между нормалью к поверхности и магнитной индукцией.