Магнитное поле. Вектор магнитной индукции

1. Понятие магнитного поля и его свойства

Магнитное поле — это особая форма материи, которая существует вокруг движущихся электрических зарядов и постоянных магнитов. Оно действует на другие движущиеся заряды и проводники с током.

Основные свойства магнитного поля:

• Возникает вокруг проводников с током, движущихся зарядов и постоянных магнитов.

• Обнаруживается по действию на магнитную стрелку или рамку с током.

• Имеет силовую характеристику — вектор магнитной индукции (𝐁⃗).

• Линии магнитного поля всегда замкнуты (не имеют начала и конца), что отличает его от электростатического поля.

Опытное подтверждение:
Если поднести магнитную стрелку к проводнику с током, она повернётся, что доказывает существование магнитного поля.

2. Вектор магнитной индукции (𝐁⃗)

Магнитная индукция (𝐁⃗) — это векторная величина, характеризующая силовое действие магнитного поля на движущиеся заряды.

Направление вектора 𝐁⃗:

• Для прямого проводника с током определяется по правилу буравчика:

  Если ввинчивать буравчик по направлению тока, то направление вращения ручки укажет направление линий магнитного поля.

• Для витка с током — по правилу правой руки:

  Если обхватить виток пальцами правой руки по направлению тока, то отогнутый большой палец укажет направление вектора 𝐁⃗ внутри витка.

Единицы измерения:

В СИ магнитная индукция измеряется в Теслах (Тл).
1 Тл = 1 Н / (А · м)

Графическое изображение:
Линии магнитной индукции:

• У прямого проводника — концентрические окружности.

• У соленоида — аналогичны полю полосового магнита.

3. Действие магнитного поля на проводник с током (сила Ампера)

На проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила Ампера.

Формула силы Ампера:

$$F_A=I\cdot L\cdot B\cdot \sin \alpha$$

где:

• $F_A$ — сила Ампера (Н),

• $I$ — сила тока (А),

• $L$ — длина проводника (м),

• $B$ — магнитная индукция (Тл),

• $\alpha$ — угол между направлением тока и вектором 𝐁⃗.

Направление силы Ампера:

Определяется по правилу левой руки:

Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, четыре пальца указывали направление тока, то отогнутый большой палец покажет направление силы Ампера.

Применение силы Ампера:

• Электродвигатели — преобразуют электрическую энергию в механическую.

• Громкоговорители — колебания катушки с током в магнитном поле создают звук.

• Электроизмерительные приборы (амперметры, вольтметры).

Пример задачи:
Проводник длиной 0,5 м с током 3 А находится в однородном магнитном поле с индукцией 0,2 Тл. Угол между направлением тока и вектором 𝐁⃗ равен 30°. Найдите силу Ампера.

Решение:

$$F_A=I\cdot L\cdot B\cdot \sin \alpha =3\cdot 0,5\cdot 0,2\cdot \sin 30\mathrm{°}=0,15\text{Н}$$

Выводы:

1. Магнитное поле создаётся движущимися зарядами и действует на проводники с током.

2. Вектор магнитной индукции (𝐁⃗) характеризует силовое действие поля.

3. Сила Ампера зависит от силы тока, длины проводника и угла с 𝐁⃗.

Контрольные вопросы:

1. Как определить направление линий магнитного поля прямого проводника с током?

2. В чём измеряется магнитная индукция?

3. При каком угле между током и 𝐁⃗ сила Ампера максимальна?