Как найти индукцию магнитного поля в центре

Магнитное поле в центре кругового проводника с током

Для
нахождения индукции магнитного поля в
центре кругового проводника с током
необходимо разбить этот проводник на
элементы
,
для каждого из них найти век­тор
,
а затем все эти векторы сложить. Так как
всевек­торы

направлены
вдоль нормали к плоскости витка (рис.
11), то сложение век­торов

можно заменить сложением их модулей
dB.

По
закону Био-Савара-Лапласа модуль вектора

:

.

Так
как все элементы
проводника перпендикулярны соответствующим
радиусам-векторам
,то sin
= 1 для всех
элементов
.
Расстояния
r
=
R для всех
элементов проводника
.
Тогда выражение для модуля вектора
:

.

Теперь
можно перейти к интегрированию:

.

Итак,
индукция магнитного поля в центре
кругового проводника с током:

(R
– радиус
витка с током I).

Тема 4. Действие магнитного поля на проводник с током (закон Ампера) и на движущийся заряд (сила Лоренца)

Закон
Ампера. На
элемент проводника

с током I
, помещённый
в магнитное поле с индукцией

(рис. 12), действует сила
(–сила
Ампера):

.

Модуль
вектора
:
,

где

–
угол между векторами
и
.

Направление вектора
можно определить поправилу
левой руки:
если силовые линии входят в ладонь, а
четыре вытянутых пальца располагаются
по току, то отведённый большой палец
укажет направление вектора силы Ампера
.

(Сила
перпендикулярна плоскости рисунка 12.)

Сила
Лоренца. На
заряд q
, движущийся со скоростью в магнитном
поле с индукцией (рис. 13), действует сила
(
–сила Лоренца
):

.

Модуль вектора
:,

где
α – угол
между векторами
и
.

Н

Рис.
13

аправление вектораможет быть определено поправилу
левой руки для движущихся
положительных зарядов и по правилу
правой руки для движущихся
отрицательных зарядов:

если
силовые линии магнитного поля входят
в ладонь, а четыре вытянутых пальца
располагаются по скорости движения
частицы, то отведённый большой палец
укажет направление силы
Лоренца
(рис. 13, сила
перпендикулярна плоскости рисунка).

Тема. 5. Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного поля

Поток
вектора магнитной индукции

(или
магнитный поток)
через произвольную площадку S
характеризуется числом силовых линий
магнитного поля, пронизывающих данную
площадку S.

Если
площадка S
расположена
перпендикулярно
силовым линиям магнитного поля (рис.
14), то поток Ф_B
вектора индукции

через данную площадкуS
:

.

Рис.
14 Рис.
15

Если
площадка S
расположена
неперпендикулярно силовым линиям
магнитного поля (рис. 15), то поток Ф_B
вектора индукции
через данную площадкуS
:

,

где
α
– угол между векторами
и нормалик площадкеS.

Д

ля
того, чтобы найти потокФ_B
вектора магнитной индукции

через произвольную поверхностьS,
необходимо разбить
эту поверхность на элементарные площадки
dS
(рис.
16) и
определить элементарный
поток
векторачерез каждую площадкуdS
по формуле:

,

г

Рис.
16

де α
– угол между векторами
и нормалик данной площадкеdS;

–вектор,
равный по величине площади площадки dS
и направленный по вектору нормали к
данной площадке dS
.

Тогда
поток вектора
через произвольную поверхностьS
равен
алгебраической сумме элементарных
потоков
через все элементарные площадки
dS,
на которые разбита поверхность S,
что приводит к интегрированию:

.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]

• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #
• #

Французские ученые Ж. Био и Ф. Савар изучали магнитные поля, создаваемые постоянными токами разной формы. Результаты их работы обобщил известный математик и физик П. Лаплас.

Применение закона Био – Савара – Лапласа к вычислению магнитного поля кругового тока

Закон Био-Савара–Лапласа описывает порождение магнитного поля током $I$ на элементе проводника длиной $dl$ в некоторой точке пространства ($mu$ – магнитная проницаемость вещества в котором локализовано поле):

$dvec{B}=frac{mu_{0}mu }{4pi }frac{Ileft[ dvec{l}vec{r}right]}{r^{3}}left( 1 right)$

где $d vec l ⃗$ – вектор, длина которого равна длине элемента проводника $dl$, направленный по току; $vec r$ – радиус-вектор, который проведен от элемента $dl$ в точку, в которой исследуется магнитное поле. Поскольку в правой части формулы (1) находится векторное произведение, очевидно, что индукция элементарного магнитного поля будет направлена перпендикулярно плоскости, в которой находятся векторы $vec r$ и $vec l$ и при этом является касательной к силовой линии поля.

Величину вектора $vec{dB}$ из выражения (1) найдем как:

$dB=frac{mu_{0}mu }{4pi }frac{Idlsin alpha }{r^{2}}left( 2 right)$.

где $ alpha $– угол между векторами $vec r$ и $vec l$ .

Конкретное направление $vec{dB}$ находят по правилу буравчика (правилу правой руки):

Если правый винт вращать так, что его поступательное движение будет совпадать с направлением течения тока в избранном элементе, то вращение его головки укажет направление $vec{dB}$.

Магнитные поля подчиняются принципу суперпозиции:

Суммарную магнитную индукцию поля, создаваемого несколькими источниками, находят как геометрическую сумму векторов магнитной индукции отдельных полей:

$vec{B}=sumlimits_{i=1}^N vec{B}_{i} left( 3 right). $

Если распределение токов можно считать непрерывным, то принцип суперпозиции можно записать:

$vec{B}=int {dvec{B}_{i}} left( 4 right).$

Вычисление магнитной индукции поля с применением закона Био-Савара-Лапласа довольно сложная процедура. Но при существовании определенной симметрии в распределении токов, используя, рассмотренный нами закон и принцип суперпозиции, рассчитать конкретные поля просто. В любом случае следует придерживаться следующей схемы действий:

«Магнитное поле кругового тока» 👇

1. Выделить на проводнике с током элементарный отрезок $dl$.
2. Записать для исследуемой точки поля закон Био – Савара – Лапласа.
3. Определить направление элементарного поля $vec{dB}$ в избранной точке.
4. Воспользоваться принципом суперпозиции для магнитных полей (учесть, что суммируются векторы).

Магнитное поле кругового тока в его центре

Рассмотрим круговой проводник, по которому течет постоянный ток $I$ (рис.1). Выделим на этом проводнике элемент $dl$, который можно считать прямолинейным. Если перейти к другому элементу этого же тока, затем к третьему и так далее, применить правило правого винта, то очевидно, что все магнитные поля, созданные этими элементами в центре, направлены вдоль одной прямой, перпендикуляру к плоскости кольца. Это означает, применяя принцип суперпозиции, мы векторное сложение заменим алгебраическим.

Запишем закон Био-Савара-Лапласа для модуля вектора индукции поля, создаваемого элементом d$l_1$:

$dB=frac{mu_{0}mu }{4pi }frac{Idl_{1}sin alpha }{r^{2}}left( 5right).$

Из рис.1 мы видим:

1. что расстояние от элементарного тока до центра витка равно его радиусу ($R$) и будет одинаковым для всех элементов на этом витке,
2. элемент $dl$ (как и все остальные элементы) будут нормальны к радиус-вектору $vec r$.

Учитывая сказанное выражение (5) представим в виде:

$dB=frac{mu_{0}mu }{4pi }frac{Idl_{1}}{R^{2}}left( 6 right)$.

Обезличивая витки с током, положим далее $dl_1=dl$.

Поскольку наш ток является непрерывным, то для нахождения полного поля в его центре, мы проинтегрируем (6), имеем:

$B=ointlimits_L {dB=} frac{mu_{0}mu }{4pi}frac{I}{R^{2}}ointlimits_L {dl} =frac{mu_{0}mu }{4pi}frac{I}{R^{2}}2pi Rto$

$B=mu_{0}mu frac{I}{2R}left( 7 right)$.

Индукция магнитного поля кругового тока на его оси

Найдем индукцию магнитного поля на оси кругового тока, если ток, текущий по нему равен $I$, радиус витка – $R$ (рис.2).

Как основу для выполнения поставленной задачи возьмем закон Био-Савара-Лапласа (1), где из рис.2 мы видим, что:

• $vec{r}=vec{R}+vec{h}$,

• $dvec{l}times vec{r}=dvec{l}times vec{R}+dvec{l}times vec{h}(9).$

Используя принцип суперпозиции закон (1) для нашего тока и формулы (8-9) запишем:

$vec{B}=ointlimits_L {dB=}$$frac{mu mu_{0}}{4pi }Iointlimits_L frac{dvec{l}timesvec{r}}{r^{3}} $
$=frac{mu mu_{0}}{4pi }frac{I}{r^{3}}left( ointlimits_L{dvec{l}times vec{R}+} ointlimits_L {dvec{l}times vec{h}}right)left( 10 right).$

В выражении (10) при записи интеграла, мы учли, что величина вектора $vec{r}$ не изменяется. Кроме этого вектор $vec h$, определяющий положение точки, в которой мы ищем поле, не изменяется при движении по нашему контуру, поэтому:

$ointlimits_L {dvec{l}times vec{h}} =(ointlimits_L {dvec{l})timesvec{h}} =0, left( 11 right),$

так как ( $ointlimits_L {dvec{l})=0.}$

Вычислим интеграл: $ointlimits_L {dvec{l}times vec{R}.}$ Введем единичный вектор ($vec n$), нормальный к плоскости витка с током.

$ointlimits_L {dvec{l}times vec{R}=ointlimits_L {vec{n}Rdl=vec{n}R}} ointlimits_L {dl=vec{n}R} 2pi R=2pi R^{2}vec{n}left( 12 right)$.

Подставляем результаты интегрирования из (12) в (10), имеем:

$vec{B}=frac{mu mu_{0}}{4pi }frac{I}{r^{3}}2pi R^{2}vec{n}=frac{mumu_{0}I}{2}frac{R^{2}}{left( R^{2}+h^{2}right)^{frac{3}{2}}}vec{n}left( 13 right)$

где при записи окончательного результата мы учли, что:

$r^{3}=left( R^{2}+h^{2} right)^{frac{3}{2}}$.

Кольца Гельмгольца

Кольцами Гельмгольца считают пару проводников в виде колец одного радиуса, расположенных в параллельных плоскостях (рис.3) на одной оси. Расстояние между плоскостями колец равно их радиусу.

Рассмотрим магнитное поле на оси этих колец.

Декартову систему координат разместим так, что ее начало совпадает с центром нижнего кольца с током. Ось Z нашей системы будет направлена по оси колец (рис.3).

Запишем индукцию магнитного поля в точке с координатой $z$ на оси колец. Используем формулу (13):

$B_{z}=frac{mu mu_{0}I}{2}R^{2}left[ frac{1}{left( R^{2}+z^{2}right)^{frac{3}{2}}}+frac{1}{left[ left( z-d right)^{2}+R^{2}right]^{frac{3}{2}}} right]left( 14right)$.

Исследуем полученное поле. Считается, что магнитное поле на оси колец Гельмгольца на посередине между ними является однородным.

Неоднородность в первом приближении характеризуют первой производной:

$frac{partial B_{z}}{partial z}=frac{3mu mu_{0}I}{2}R^{2}left[frac{-z}{left( R^{2}+z^{2} right)^{frac{5}{2}}}+frac{z-d}{left[ left(z-d right)^{2}+R^{2} right]^{frac{5}{2}}} right]left( 15 right)$.

Если $z=frac{d}{2}quad$ , подставим в (15), имеем:

$frac{partial B_{z}}{partial z}=0.$

Найдем $frac{partial^{2}B_{z}}{partial z^{2}}:$

$frac{partial^{2}B_{z}}{partial z^{2}}=frac{3mu mu_{0}I}{2}R^{2}left( frac{5z^{2}}{left( R^{2}+z^{2}right)^{frac{7}{2}}}-frac{1}{left( R^{2}+z^{2}right)^{frac{5}{2}}}+frac{5left( z-d right)^{2}}{left[ left( z-d right)^{2}+R^{2} right]^{frac{7}{2}}}-frac{1}{left[ left( z-dright)^{2}+R^{2} right]^{frac{5}{2}}} right)left( 16 right)$

По условию для колец Гельмгольца, имеем:
$d=R.$

На середине их общей оси ($z=frac{d}{2})$, получаем:

$frac{partial^{2}B_{z}}{partial z^{2}}=0, left( 17 right)$.

Равенство нулю второй производной от $B_z$ по координате $z$, показывает, что в на середине оси колец магнитное поле является однородным с высокой степенью точности.

Как найти индукцию магнитного поля в центре окружности

2018-05-14
Найти индукцию магнитного поля в центре контура, имеющего вид прямоугольника, если его диагональ $d = 16 см$, угол между диагоналями $phi = 30^< circ>$ и ток в контуре $I = 5,0 А$.

Мы знаем, что магнитная индукция, связанная с проводником постоянного тока в любой точке, на перпендикулярном расстоянии от него дается:

$B = frac < mu_<0>> <4 pi>frac ( sin theta_ <1>+ sin theta_<2>)$,

где $r$ – перпендикулярное расстояние от провода до рассматриваемой точки, а $theta_<1>$ – угол между линией, соединяющий верхнюю точку прямого провода с рассматриваемой точкой и перпендикуляр, опущенный на провод, а $theta_<2>$, из нижней точки провода.

Следовательно, величина полной магнитной индукции в O,

Индукция магнитного поля в центре и на оси кругового витка с током

Вначале решим более общую задачу нахождения магнитной индукции на оси витка с током. Для этого сделаем рисунок 3.8, на котором изобразим элемент тока и вектор магнитной индукции , который он создает на оси кругового контура в некоторой точке .

Рис. 3.8 Определение магнитной индукции

на оси кругового витка с током

Вектор магнитной индукции , создаваемый бесконечно малым элементом контура может быть определен с помощью закона Био-Савара-Лапласа (3.10).

Как следует из правил векторного произведения, магнитная индукция будет перпендикулярна плоскости, в которой лежат вектора и , поэтому модуль вектора будет равен

.

Для нахождения полной магнитной индукции от всего контура необходимо векторно сложить от всех элементов контура, т. е. фактически сосчитать интеграл по длине кольца

.

Данный интеграл можно упростить, если представить в виде суммы двух составляющих и

При этом в силу симметрии , поэтому результирующий вектор магнитной индукции будет лежать на оси . Следовательно, для нахождения модуля вектора нужно сложить проекции всех векторов , каждая из которых равна

.

Учитывая, что и , получим для интеграла следующее выражение

. (3.18)

Нетрудно заметить, что вычисление получившегося интеграла даст длину контура, т. е. . В итоге суммарная магнитная индукция, создаваемая круговым контуром на оси в точке , равна

. (3.19)

Используя магнитный момент контура, формулу (3.19) можно переписать следующим образом

.

Теперь отметим, что полученное в общем виде решение (3.19) позволяет проанализировать предельный случай, когда точка помещена в центре витка. В этом случае и решение для магнитной индукции поля в центре кольца с током примет вид

. (3.20)

Результирующий вектор магнитной индукции (3.19) направлен вдоль оси тока, а его направление связано с направлением тока правилом правого винта (рис. 3.9).

Рис. 3.9 Определение магнитной индукции

в центре кругового витка с током

Индукция магнитного поля в центре дуги окружности

Данная задача может быть решена как частный случай рассмотренной в предыдущем пункте задачи. В этом случае интеграл в формуле (3.18) следует брать не по всей длине окружности, а только по ее дуге l. А также учесть то, что индукция ищется в центре дуги, поэтому . В результате получим

, (3.21)

где – длина дуги; – радиус дуги.

5 Вектор индукции магнитного поля движущегося в вакууме точечного заряда (без вывода формулы)

,

где – электрический заряд; – постоянная нерелятивистская скорость; – радиус-вектор, проведенный от заряда к точке наблюдения.

Силы Ампера и Лоренца

Опыты по отклонению рамки с током в магнитном поле показывают, что на всякий проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует механическая сила, называемая силой Ампера.

Закон Ампера определяет силу, действующую на проводник с током, помещенный в магнитное поле:

; , (3.22)

где – сила тока; – элемент длины провода (вектор совпадает по направлению с током ); – длина проводника. Сила Ампера перпендикулярна направлению тока и направлению вектора магнитной индукции.

Если прямолинейный проводник длиной находится в однородном поле, то модуль силы Ампера определяется выражением (рис. 3.10):

. (3.23)

Сила Ампера всегда направлена перпендикулярно плоскости, содержащей векторы и , а ее направление как результат векторного произведения определяется правилом правого винта: если смотреть вдоль вектора , то поворот от к по кратчайшему пути должен происходить по часовой стрелке.

Рис. 3.10 Правило левой руки и правило буравчика для силы Ампера

С другой стороны, для определения направления силы Ампера можно также применить мнемоническоеправило левой руки (рис. 3.10): нужно поместить ладонь так, чтобы силовые линии магнитной индукции входили в нее, вытянутые пальцы показывали направление тока, тогда отогнутый большой палец укажет направление силы Ампера.

Исходя из формулы (3.22), найдем выражение для силы взаимодействия двух бесконечно длинных, прямых, параллельных друг другу проводников, по которым текут токи I₁ и I₂ (рис. 3.11) (опыт Ампера). Расстояние между проводами равно a.

Определим силу Ампера dF₂₁, действующую со стороны магнитного поля первого тока I₁ на элемент l₂dl второго тока.

Величина магнитной индукции этого поля B₁ в точке расположения элемента второго проводника с током равна

.

Рис. 3.11 Опыт Ампера по определению силы взаимодействия

двух прямолинейных токов

Тогда с учетом (3.22) получим

. (3.24)

Рассуждая точно так же, можно показать, что сила Ампера, действующая со стороны магнитного поля, создаваемого вторым проводником с током, на элемент первого проводника I₁dl , равна

,

т. e. dF₁₂ = dF₂₁. Таким образом, мы вывели формулу (3.1), которая была получена Ампером экспериментальным путем.

На рис. 3.11 показано направление сил Ампера. В случае, когда токи направлены в одну и ту же сторону, то это ‑ силы притяжения, а в случае токов разного направления ‑ силы отталкивания.

Из формулы (3.24), можно получить силу Ампера, действующую на единицу длины проводника

. (3.25)

Таким образом, сила взаимодействия двух параллельных прямых проводников с токами прямо пропорциональна произведению величин токов и обратно пропорциональна расстоянию между ними.

Закон Ампера утверждает, что на элемент с током, помещенный в магнитное поле, действует сила. Но всякий ток есть перемещение заряженных частиц. Естественно предположить, что силы, действующие на проводник с током в магнитном поле, обусловлены силами, действующими на отдельные движущиеся заряды. Этот вывод подтверждается рядом опытов (например, электронный пучок в магнитном поле отклоняется).

Найдем выражение для силы, действующей на заряд, движущийся в магнитном поле, исходя из закона Ампера. Для этого в формулу, определяющую элементарную силу Ампера

,

подставим выражение для силы электрического тока

,

где I – сила тока, протекающего через проводник; Q – величина полного заряда протекшего за время t; q – величина заряда одной частицы; N – общее число заряженных частиц, прошедших через проводник объемом V, длиной l и сечением S; n – число частиц в единице объема (концентрация); v – скорость частицы.

В результате получим:

. (3.26)

Направление вектора совпадаёт с направлением скорости v, поэтому их можно поменять местами.

. (3.27)

Эта сила действует на все движущиеся заряды в проводнике длиной и сечением S, число таких зарядов:

.

Следовательно, сила, действующая на один заряд, будет равна:

. (3.28)

Формула (3.28) определяет силу Лоренца, величина которой

, (3.29)

где a – угол между векторами скорости частицы и магнитной индукции.

В экспериментальной физике часто встречается ситуация, когда заряженная частица движется одновременно и в магнитном и электрическом поле. В этом случае рассматривают полную силу Лоренца в виде

,

где – электрический заряд; – напряженность электрического поля; – скорость частицы; – индукция магнитного поля.

Только в магнитном поле на движущуюся заряженную частицу действует магнитная составляющая силы Лоренца (рис. 3.12)

. (3.30)

Рис. 3.12 Сила Лоренца

Магнитная составляющая силы Лоренца перпендикулярна вектору скорости и вектору магнитной индукции. Она не изменяет величины скорости, а изменяет только ее направление, следовательно, работы не совершает.

Взаимная ориентация трех векторов ‑ , и , входящих в (3.30), показана на рис. 313 для положительно заряженной частицы.

Рис. 3.13 Сила Лоренца, действующая на положительный заряд

Как видно из рис. 3.13, если частица влетает в магнитное поле под углом к силовым линиям , то она равномерно движется в магнитном поле по окружности радиусом и периодом обращения:

; ,

где – масса частицы.

Отношение магнитного момента к механическому L (моменту импульса) заряженной частицы, движущейся по круговой орбите,

,

где ‑ заряд частицы; т ‑ масса частицы.

Рассмотрим общий случай движения заряженной частицы в однородном магнитном поле, когда ее скорость направлена под произвольным углом a к вектору магнитной индукции (рис. 3.14). Если заряженная частица влетает в однородное магнитное поле под углом , то она движется по винтовой линии.

Разложим вектор скорости на составляющие v_|| (параллельную вектору ) и v_^(перпендикулярную вектору ):

.

Наличие v_^ приводит к тому, что на частицу будет действовать сила Лоренца и она будет двигаться по окружности радиусом R в плоскости перпендикулярной вектору :

.

Период такого движения (время одного витка частицы по окружности) равен

.

Рис. 3.14 Движение по винтовой линии заряженной частицы

в магнитном поле

За счет наличия v_|| частица будет двигаться равномерно вдоль , так как на v_|| магнитное поле не действует.

Таким образом, частица участвует одновременно в двух движениях. Результирующая траектория движения представляет собой винтовую линию, ось которой совпадает с направлением индукции магнитного поля. Расстояние h между соседними витками называется шагом винтовой линии и равно:

.

Действие магнитного поля на движущийся заряд находит большое практическое применение, в частности, в работе электронно-лучевой трубки, где используется явление отклонения заряженных частиц электрическим и магнитным полями, а также в работе масс-спектрографов, позволяющих определить удельный заряд частиц (q/m) и ускорителей заряженных частиц (циклотронов).

Рассмотрим один такой пример, назыаемый «магнитной бутылкой» (рис. 3.15). Пусть неоднородное магнитное поле создано двумя витками с токами, протекающими в одном направлении. Сгущение линий индукции в какой-либо пространнственной области означает большее значение величины магнитной индукции в этой области. Индукция магнитного поля вблизи витков с током больше, чем в пространстве между ними. По этой причине радиус винтовой линии траектории частицы, обратно пропорциональный модулю индукции, меньше вблизи витков, чем в пространстве между ними. После того, как частица, двигаясь вправо по винтовой линии, пройдет среднюю точку, сила Лоренца, действующая на чатицу, приобретает компоненту , тормозящую ее движение вправо. В определенный момент эта компонента силы останавливает движение частицы в этом направлении и отталкивает ее влево к витку 1. При приближении заряженной частицы к витку 1 она также тормозится и начинает циркулировать между витками, оказавшись в магнитной ловушке, или между «магнитными зеркалами». Магнитные ловушки используются для удержания в определенной области пространства высокотемпературной плазмы ( К) при управляемом термоядерном синтезе.

Рис. 3.15 Магнитная «бутылка»

Закономерностями движения заряженных частиц в магнитном поле можно объяснить особенности движения космических лучей вблизи Земли. Космические лучи – это потоки заряженных частиц большой энергии. При приближении к поверхности Земли эти частицы начинают испытывать действие магнитного поля Земли. Те из них, которые направляются к магнитным полюсам, будут двигаться почти вдоль линий земного магнитного поля и навиваться на них. Заряженные частицы, подлетающие к Земле вблизи экватора, направлены почти перпендикулярно к линиям магнитного поля, их траектория будет искривляться. и лишь самые быстрые из них достигнут поверхности Земли (рис. 3.16).

Рис. 3.16 Образование Полярного сияния

Поэтому интенсивность космических лучей доходящих до Земли вблизи экватора, заметно меньше, чем вблизи полюсов. С этим связан тот факт что, Полярное сияние наблюдается главным образом в приполярных областях Земли.

Эффект Холла

В 1880г. американский физик Холл провел следующий опыт: он пропускал постоянный электрический ток I через пластинку из золота и измерял разность потенциалов между противолежащими точками A и C на верхней и нижней гранях (рис. 3.17).

Рис. 3.17 Эффект Холла

В отсутствии магнитного поля , т. к. для однородной пластины поперечное сечение является эквипотенциальной поверхностью. Когда пластины помещаются в однородное магнитное поле с индукцией , перпендикулярное к ее боковым граням ‑ между точками A и C возникала разность потенциалов. Это явление было позднее названо эффектом Холла.

Экспериментально было обнаружено, что

, (3.31)

где I ‑ сила тока; B ‑ индукция магнитного поля; b ‑ ширина пластины; ‑ постоянная Холла.

Дальнейшее исследование показало, что эффект Холла наблюдается во всех проводниках и полупроводниках. Величина константы Холла зависит от материала пластины, причем этот коэффициент для одних веществ положителен, а для других ‑ отрицателен.

Явление Холла можно объяснить, исходя из силы Лоренца. На заряд, движущийся в магнитном поле с индукцией B, действует сила Лоренца

.

Рис. 3.18 Знак эффекта Холла

Если носителями тока в веществе являются положительные заряды то под действием силы Лоренца эти заряды q отклоняются к верхней грани (при выбранных направлениях и ). Следовательно, вблизи верхней грани возникнет избыток зарядов, а вблизи нижней грани – недостаток зарядов, т. е. возникает разность потенциалов. В случае отрицательных зарядов, как видно из рисунка 3.18, знак разности потенциалов будет противоположым.

Найдем теперь выражение для . При возникновении разности потенциалов в пластине возникает электрическое поле в вертикальном направлении. Со стороны этого электрического поля на заряд q будет действовать сила , направленная против силы Лоренца. При некотором значении эти силы уравновесят друг друга, и установится равновесный процесс прохождения тока

,

.(3.32)

Если пластина достаточно длинная и широкая, то поперечное электрическое поле можно считать однородным. Для однородного поля можно написать связь между E и в виде:

. (3.33)

Силу тока I можно выразить следующим образом:

, (3.34)

где v ‑ скорость упорядоченного движения зарядов; n ‑ число зарядов в единице объема; – площадь поперечного сечения пластины.

, (3.35)

подставляя (3.35) в (3.33) получим

. (3.36)

Сравнивая эту формулу с экспериментальной (3.31), имеем

. (3.37)

Отсюда видно, что, знак константы Холла совпадает со знаком заряда q носителей тока. В полупроводниках носителями тока могут быть электроны ( ) и положительные дырки ( ). На основании измерения константы Холла для полупроводников можно судить о природе его проводимости. При электронной проводимости , при дырочной проводимости .

С помощью константы Холла можно также определить концентрацию носителей тока, если характер проводимости и заряд носителей тока известны (например, для металлов):

.

На принципе, похожем на эффект Холла, основана работа МГД- генераторов (магнитогидродинамических генераторов). В эффекте Холла используется ток проводимости, а можно использовать конвекционный ток. Например, по трубе продувается поток раскаленных газов (следовательно, ионизированных) в магнитном поле. В трубу вводятся электроды, на них возникает разность потенциалов. Величина оказывается пропорциональной скорости движения газа. Для увеличения электропроводимости должна быть велика концентрация ионов n, что можно достигнуть повышением температуры газа. Кроме того, в поток газа вводятся специальные присадки ‑ элементы с малой энергией ионизации.

К.П.Д. МГД-генераторов может достигать 50…60%, в то время, как у тепловых электростанций . Также преимуществом МГД-генераторов является то, что в них нет никаких механических движущихся частей и, следовательно, потерь на преодоление трения.

Магнитное поле кругового тока

Вы будете перенаправлены на Автор24

Французские ученые Ж. Био и Ф. Савар изучали магнитные поля, создаваемые постоянными токами разной формы. Результаты их работы обобщил известный математик и физик П. Лаплас.

Применение закона Био – Савара – Лапласа к вычислению магнитного поля кругового тока

Закон Био-Савара–Лапласа описывает порождение магнитного поля током $I$ на элементе проводника длиной $dl$ в некоторой точке пространства ($mu$ – магнитная проницаемость вещества в котором локализовано поле):

где $d vec l ⃗$ – вектор, длина которого равна длине элемента проводника $dl$, направленный по току; $vec r$ – радиус-вектор, который проведен от элемента $dl$ в точку, в которой исследуется магнитное поле. Поскольку в правой части формулы (1) находится векторное произведение, очевидно, что индукция элементарного магнитного поля будет направлена перпендикулярно плоскости, в которой находятся векторы $vec r$ и $vec l$ и при этом является касательной к силовой линии поля.

Величину вектора $vec$ из выражения (1) найдем как:

где $ alpha $– угол между векторами $vec r$ и $vec l$ .

Конкретное направление $vec$ находят по правилу буравчика (правилу правой руки):

Если правый винт вращать так, что его поступательное движение будет совпадать с направлением течения тока в избранном элементе, то вращение его головки укажет направление $vec$.

Магнитные поля подчиняются принципу суперпозиции:

Суммарную магнитную индукцию поля, создаваемого несколькими источниками, находят как геометрическую сумму векторов магнитной индукции отдельных полей:

$vec=sumlimits_^N vec_ left( 3 right). $

Если распределение токов можно считать непрерывным, то принцип суперпозиции можно записать:

Вычисление магнитной индукции поля с применением закона Био-Савара-Лапласа довольно сложная процедура. Но при существовании определенной симметрии в распределении токов, используя, рассмотренный нами закон и принцип суперпозиции, рассчитать конкретные поля просто. В любом случае следует придерживаться следующей схемы действий:

Готовые работы на аналогичную тему

1. Выделить на проводнике с током элементарный отрезок $dl$.
2. Записать для исследуемой точки поля закон Био – Савара – Лапласа.
3. Определить направление элементарного поля $vec$ в избранной точке.
4. Воспользоваться принципом суперпозиции для магнитных полей (учесть, что суммируются векторы).

Магнитное поле кругового тока в его центре

Рисунок 1. Магнитное поле кругового тока в его центре. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассмотрим круговой проводник, по которому течет постоянный ток $I$ (рис.1). Выделим на этом проводнике элемент $dl$, который можно считать прямолинейным. Если перейти к другому элементу этого же тока, затем к третьему и так далее, применить правило правого винта, то очевидно, что все магнитные поля, созданные этими элементами в центре, направлены вдоль одной прямой, перпендикуляру к плоскости кольца. Это означает, применяя принцип суперпозиции, мы векторное сложение заменим алгебраическим.

Запишем закон Био-Савара-Лапласа для модуля вектора индукции поля, создаваемого элементом d$l_1$:

Из рис.1 мы видим:

1. что расстояние от элементарного тока до центра витка равно его радиусу ($R$) и будет одинаковым для всех элементов на этом витке,
2. элемент $dl$ (как и все остальные элементы) будут нормальны к радиус-вектору $vec r$.

Учитывая сказанное выражение (5) представим в виде:

Обезличивая витки с током, положим далее $dl_1=dl$.

Поскольку наш ток является непрерывным, то для нахождения полного поля в его центре, мы проинтегрируем (6), имеем:

$L=2πR$ – длина окружности витка.

Индукция магнитного поля кругового тока на его оси

Найдем индукцию магнитного поля на оси кругового тока, если ток, текущий по нему равен $I$, радиус витка – $R$ (рис.2).

Рисунок 2. Индукция магнитного поля кругового тока на его оси. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Как основу для выполнения поставленной задачи возьмем закон Био-Савара-Лапласа (1), где из рис.2 мы видим, что:

$dvectimes vec=dvectimes vec+dvectimes vec(9).$

Используя принцип суперпозиции закон (1) для нашего тока и формулы (8-9) запишем:

В выражении (10) при записи интеграла, мы учли, что величина вектора $vec$ не изменяется. Кроме этого вектор $vec h$, определяющий положение точки, в которой мы ищем поле, не изменяется при движении по нашему контуру, поэтому:

$ointlimits_L times vec> =(ointlimits_L )timesvec> =0, left( 11 right),$

так как ( $ointlimits_L )=0.>$

Вычислим интеграл: $ointlimits_L times vec.>$ Введем единичный вектор ($vec n$), нормальный к плоскости витка с током.

$ointlimits_L times vec=ointlimits_L <vecRdl=vecR>> ointlimits_L R> 2pi R=2pi R^<2>vecleft( 12 right)$.

Подставляем результаты интегрирования из (12) в (10), имеем:

где при записи окончательного результата мы учли, что:

Кольца Гельмгольца

Кольцами Гельмгольца считают пару проводников в виде колец одного радиуса, расположенных в параллельных плоскостях (рис.3) на одной оси. Расстояние между плоскостями колец равно их радиусу.

Рисунок 3. Кольца Гельмгольца. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Рассмотрим магнитное поле на оси этих колец.

Декартову систему координат разместим так, что ее начало совпадает с центром нижнего кольца с током. Ось Z нашей системы будет направлена по оси колец (рис.3).

Запишем индукцию магнитного поля в точке с координатой $z$ на оси колец. Используем формулу (13):

Исследуем полученное поле. Считается, что магнитное поле на оси колец Гельмгольца на посередине между ними является однородным.

Неоднородность в первом приближении характеризуют первой производной:

Если $z=frac<2>quad$ , подставим в (15), имеем:

По условию для колец Гельмгольца, имеем: $d=R.$

На середине их общей оси ($z=frac<2>)$, получаем:

Равенство нулю второй производной от $B_z$ по координате $z$, показывает, что в на середине оси колец магнитное поле является однородным с высокой степенью точности.

Получи деньги за свои студенческие работы

Курсовые, рефераты или другие работы

Автор этой статьи Дата последнего обновления статьи: 28 03 2021

[spoiler title=”источники:”]

http://lektsii.org/8-84219.html

http://spravochnick.ru/fizika/magnitnoe_pole/magnitnoe_pole_krugovogo_toka/

[/spoiler]

2018-05-14   

Найти индукцию магнитного поля в центре контура, имеющего вид прямоугольника, если его диагональ $d = 16 см$, угол между диагоналями $phi = 30^{ circ}$ и ток в контуре $I = 5,0 А$.

Решение:

Мы знаем, что магнитная индукция, связанная с проводником постоянного тока в любой точке, на перпендикулярном расстоянии от него дается:

$B = frac{ mu_{0} }{4 pi} frac{i}{r} ( sin theta_{1} + sin theta_{2})$,

где $r$ – перпендикулярное расстояние от провода до рассматриваемой точки, а $theta_{1}$ – угол между линией, соединяющий верхнюю точку прямого провода с рассматриваемой точкой и перпендикуляр, опущенный на провод, а $theta_{2}$, из нижней точки провода.

Здесь $B_{1} = B_{3} = frac{ mu_{0} }{4 pi} frac{i}{(d/2) sin frac{ phi}{2} } left ( cos frac{ phi}{2} + cos frac{ phi}{2} right )$

и $B_{2} = B_{4} = frac{ mu_{0} }{4 pi} frac{i}{(d/2) cos frac{ phi}{2} } left ( sin frac{ phi}{2} + sin frac{ phi}{2} right )$

Следовательно, величина полной магнитной индукции в O,

$B_{0} = B_{1} + B_{2} + B_{3} + B_{4} = frac{ mu_{0} }{4 pi} frac{4i}{d/2} left [ frac{ cos frac{ phi}{2} }{ sin frac{ phi}{2} } + frac{ sin frac{ phi}{2} }{ cos frac{ phi}{2} } right ] = frac{4 mu_{0}i }{ pi d sin phi} = 0,10 мТ $

Закон Био-Савара-Лапласа в магнитостатике – примерно то же самое, что и закон Кулона в электростатике. С помощью этого закона определяется индукция магнитного поля, созданного постоянным электрическим током. В сегодняшней статье разберем несколько примеров решения задач по магнитостатике на применение закона Био-Савара-Лапласа.

Присоединяйтесь к нам в телеграме, чтобы вовремя получать полезную рассылку и актуальные новости. А еще, не пропустите приятные скидки и акции на нашем втором канале.

Закон Био-Савара-Лапласа: решение задач

В нашем блоге есть материалы, которые помогут справиться с задачами по разным темам:

1. Общая памятка по решению физических задач.
2. Более 40 формул по физике. 

Задача на закон Био-Савара-Лапласа №1

Условие 

Прямой провод согнут в виде квадрата со стороной а=8 см. Какой силы ток надо пропустить по проводнику, чтобы напряженность магнитного поля в точке пересечения диагоналей была 20 А/м?

Решение

Согласно принципу суперпозиции напряженность магнитного поля в точке пересечения диагоналей квадрата будет равна сумме напряженностей, которые создают стороны. Поскольку стороны одинаковые, то:

H=4H1=4B1μ0

Будем использовать формулу для магнитной индукции поля, создаваемого отрезком прямого провода с током (выводится из закона Био-Савара-Лапласа):

I=πaH4cosα=3,14×0,08×204cos45=1,78 А  

Ответ: 1,78 А.

Задача на закон Био-Савара-Лапласа №2

Условие

Используя закон Био-Савара-Лапласа, определите магнитную индукцию в вакууме B поля в центре кругового проводника радиусом 10 см, если сила тока в проводнике равна 5 A.

Решение

Модуль магнитной индукции в центре кругового тока вычисляется по формуле:

B=μ0μI2rμ=1 – магнитная проницаемость для вакуумаμ0=1,25×10-6 Гнм – магнитная постоянная

Вычислим индукцию:

В=1,25×10-6×1×52×0,1=3,1×10-5 Тл

Ответ: 0,31 мкТл.

Задача на закон Био-Савара-Лапласа №3

Условие

Используя закон Био-Савара-Лапласа выведите формулу для индукуии из предыдущей задачи.

Решение

Пусть ток идет по тонкому проводу в форме окружности, имеющей радиус R.

Разобъем провод на бесконечно малые элементы dl. Каждый такой элемент создает в центре окружности индукцию dB, направленную вдоль положительной нормали к контуру. По закону Био-Савара-Лапласа:

B=μ04πIdlsinαr2

Угол альфа между векторами r и Idl равен 90 градусам, а r=R. Тогда, можно записать:

Интегрируя это выражение по контуру, получим:

Ответ: см. выше.

Задача на закон Био-Савара-Лапласа №4

Условие

По квадратной рамке со стороной a=0,2 м течет ток 4 А. Определить напряженность и индукцию магнитного поля в центре рамки.

Решение

Будем рассматривать каждую из четырех сторон рамки, как отдельный проводник, создающий в ее центре магнитную индукцию. Направление векторно-магнитной индукции определяется по правилу правого винта: все векторы направлены в одну сторону, перпендикулярно рамке.

Найдем индукцию, создаваемую одной стороной рамки:

B1=μμ0I4πr(cosα1-cosα2)

r=a2α1=45°α2=135°В1=μμ0I2πa(cos45-cos135)

По принципу суперпозиции, запишем формулу для общей индукции в центре рамки и вычислим:

B=4B1=2μμ0Iπa(cos45-cos135)B=1×1,25×10-6×42×3,14×0,2(0,707+0,707)=22,6×10-6 Тл

Ответ: 22,6 мкТл.

Задача на закон Био-Савара-Лапласа №5

Условие

Проводник согнут в виде правильного треугольника со стороной а=20 см. Какой ток протекает по периметру треугольника, если в его центре напряженность поля равна Н = 71,64 А/м?

Решение

Условно разбиваем проводник на три проводника, каждый из которых создает магнитное поле. По закону Био – Савара – Лапласа элемент контура dl, по которому течет ток I, создает в некоторой точке А пространства магнитное поле напряженностью:

dH0=Isinα4πr2dl

r – расстояние от точки А до элемента тока dl, α – угол между радиус-вектором и элементом тока dl. Напряженность магнитного поля в точке О будет равна:

Н0=∫-∞+∞Isinα4πr2dl

Учтем, что:

l=b×ctgαdl=-bdαsin2αr=bsinα

Теперь выражение для напряженности можно переписать в следующем виде:

H0=-I4πb∫α1α2sinαdα=I4πbcosα1-cosα2b=a2tgαH0=I2π×a×tgαcosα1-cosα2

Из рисунка видно, что угол α1 равен 30 градусам, а угол α2 = 150. Очевидно, что результирующая напряженность:

Н=3Н0

Н=3I2π×a×tg30cos30-cos150

Отсюда найдем ток:

I=2πH×a×tg303(cos30-cos150)=2×3,14×71,64×0,2×0,5773(0,866+0,866)=10А

Ответ: 10 А.

Вопросы на закон Био-Савара-Лапласа

Вопрос 1. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа

Ответ. Закон Био-Савара-Лапласа гласит:

Магнитное поле любого тока может быть вычислено как векторная сумма (суперпозиция) полей, создаваемых отдельными элементарными участками тока.

B⇀=∑B⇀ii

Элементарный участок dl с током I создает магнитную индукцию:

B=μ04πIdlsinαr2

Здесь альфа — угол между радиусом-вектором и направлением тока в проводнике.

Вопрос 2. Что такое магнитная индукция?

Ответ. Магнитная индукция — векторная физическая величина, силовая характеристика магнитного поля. Определяет, с какой силой поле действует на заряд, движущийся в нем.

Вопрос 3. Сформулируйте теорему о циркуляции магнитной индукции.

Ответ. Циркуляция вектора магнитной индукции по произвольному замкнутому контуру, охватывающему токи, прямо пропорциональна алгебраической сумме токов, пронизывающих этот контур:

∮Вdl=μ0∑iIi

Вопрос 4. Как определяется направление вектора магнитной индукции?

Ответ. Направление вектора магнитной индукции определяется по правилу буравчика (правого винта):

Направление вращения головки винта дает направление вектора магнитной индукции, поступательное движение винта соответствует направлению тока в элементе.

Вопрос 5. Что такое напряженность магнитного поля?

Ответ. Напряженность — векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M. Связана с индукцией формулой:

H⇀=B⇀μ0

Нужна помощь в решении задач и выполнении других заданий? Профессиональный сервис для учащихся всегда к вашим услугам.