Магнитный поток. Работа по перемещению проводника с током

В магнитном поле

План решения задач

1. При вычислении магнитного потока следует обращать внимание на характер магнитного поля. В случае однородного поля величина магнитного потока определяется простой формулой:

,

где – проекция вектора магнитной индукции на нормаль к плоскости контура площадью ; – угол между векторами и .

Для неоднородного поля необходимо вычислять интеграл:

.

2. В условии задачи нередко задают угол между вектором магнитной

Рис. 74

индукции и плоскостью контура (рис. 74). В таком случае необходим рисунок (см. рис. 74), по которому видно, что угол ; тогда

.

3. Расчет работы по перемещению проводника или контура с током в магнитном поле, независимо от того, движется проводник поступательно (работа силы Ампера ) или происходит поворот контура (работа механического момента сил Ампера), наиболее просто выполняется с помощью следующей формулы:

,

где – ток в контуре; – магнитный поток сквозь поверхность, ограниченную контуром, в конечном (индекс 2) и в начальном (индекс 1) положениях контура, соответственно. Отметим, что работа сил Ампера положительна. Если при вычислении получена отрицательная величина, то это означает, что работу по заданному перемещению осуществляют внешние силы , а модуль , где – сила Ампера.

4. Заметим, что единица измерения магнитного потока 1 Вб , – весьма большая величина. Поэтому в обычных полях с магнитной индукцией порядка 1 мТл магнитный поток через поверхность контуров небольших размеров площадью по порядку величины не превышает .

Задача 43. Обмотка соленоида с током содержит витков на каждый сантиметр длины. В средней части соленоида помещен круговой контур радиусом . Плоскость контура расположена под углом к оси соленоида. Определите магнитный поток , пронизывающий контур.

Дано Решение

; ; ; .

линии   Рис. 75

Линии магнитного поля внутри соленоида параллельны его оси (рис. 75). В средней части соленоида, удаленной от его торцов, индукция магнитного поля определяется по формуле:

(1)

где – магнитная постоянная, – магнитная проницаемость сердечника (для воздуха ); – число витков на единицу длины соленоида; – сила тока в обмотке соленоида. Величина одинакова в сечении соленоида, т. е. его магнитное поле является однородным.

Магнитный поток через площадь контура в однородном магнитном поле определим по следующей формуле:

(2)

где – площадь, ограниченная контуром; – угол между нормалью к плоскости контура и вектором магнитной индукции . По рисунку (см. рис. 75) видно, что угол .

Подставляя в формулу (2) величины магнитной индукции и площади , получаем расчетную формулу в следующем виде:

(3)

Вычисляем магнитный поток , пронизывающий контур, помещенный внутри данного соленоида:

.

Задача 44. Магнитный момент длинного соленоида , длина соленоида . Определите магнитный поток сквозь сечение сердечника соленоида.

Дано Решение

; .

Рис.76

Магнитный поток через сечение площадью в однородном магнитном поле соленоида определяется формулой

(1)

где – проекция вектора магнитной индукции на нормаль к площади поперечного сечения сердечника соленоида (рис. 76); – площадь этого сечения, равная площади витка обмотки соленоида.

Вектор магнитной индукции поля внутри соленоида параллелен его оси, следовательно, проекция вектора , где величина индукции магнитного поля в средней части соленоида определяется по следующей формуле:

. (2)

Здесь – магнитная постоянная, – магнитная проницаемость сердечника, для воздуха ; – число витков соленоида; – его длина; – сила тока в обмотке соленоида.

Подставляя величину магнитной индукции в формулу (1), находим магнитный поток в сечении соленоида

(3)

Магнитный момент соленоида – это вектор, равный сумме магнитных моментов всех витков соленоида:

(4)

где – магнитный момент одного витка обмотки; здесь сумму одинаковых слагаемых заменили произведением. Так как модуль , то магнитный момент соленоида, в соответствии с формулой (4):

(5)

Сравнивая формулы (5) и (3), отметим, что магнитный поток соленоида пропорционален величине , следовательно, формулу (3) можно записать в следующем виде:

.

По этой формуле вычисляем магнитный поток сквозь сечение заданного соленоида:

.

Задача 45. Круговой контур (виток) радиусом , в котором поддерживается постоянный ток , свободно установился в однородном магнитном поле с индукцией . Какую работу нужно совершить для того, чтобы 1) повернуть виток относительно оси, совпадающей с диаметром, на угол ; 2) удалить виток в область, где магнитное поле отсутствует.

Дано Решение

; ; . ; 2)

а б Рис. 77

Виток с током, который свободно установился в магнитном поле, находится в состоянии устойчивого равновесия. При этом механический момент , поэтому магнитный момент контура , чтобы . Магнитный момент сонаправлен с нормалью к плоскости контура, следовательно, нормаль (рис. 77 а).

В этом начальном положении магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, максимален и равен

, (1)

так как и проекция вектора магнитной индукции .

1) При повороте плоскости контура на угол и нормаль к этой плоскости повернется на угол (рис. 77 б). Магнитный поток при этом уменьшится и в новом положении контура станет равным

(2)

Работу, совершаемую при повороте контура, определим по формуле:

( (3)

где – ток в контуре; – магнитные потоки сквозь поверхность, ограниченную контуром, соответственно, в конечном (индекс 2) и в начальном (индекс 1) положениях контура. Подставляя значения по формулам (1) и (2), в которых площадь кругового контура , получаем следующую расчетную формулу для величины работы:

(4)

Вычисляем величину работы, которая совершается при повороте контура:

.

2) После удаления контура с током в область, где индукция магнитного поля , магнитный поток станет нулевым. Соответственно, работа, определяемая также формулой (3), запишется в следующем виде:

Вычислим эту работу, совершаемую при удалении контура с током в область, где магнитное поле отсутствует:

.

Работа, совершаемая при перемещении контура, в обоих случаях отрицательная. Это означает, что работу совершает внешняя сила , направленная противоположно силе Ампера (в случае ); а в первом случае – при повороте контура, работу совершает момент внешней силы , который создается магнитными силами.

Задача 46. В одной плоскости с длинным прямым проводником с током расположена квадратная рамка со стороной так, что расстояние от провода до ближайшей стороны рамки (рис. 78). В рамке течет ток . Определите работу, которую нужно совершить для медленного поворота рамки относительно оси на угол .

Дано Решение

; ; ; ; .

Рис. 78

При медленном повороте рамки скорость изменения магнитного потока мала, поэтому величиной ЭДС индукции и возникающим в рамке индукционным током можно пренебречь и считать постоянной величину тока в рамке: . В таком случае работа при повороте контура описывается формулой

, (1)

где – магнитный поток через площадь, ограниченную рамкой, в конечном и начальном положениях рамки.

Магнитный поток через площадь рамки создается магнитным полем длинного проводника с током . Магнитная индукция этого поля в точках на расстоянии от провода определяется следующей формулой:

(2)

По этой формуле видно, что величина уменьшатся по мере увеличения расстояния от провода, следовательно, магнитное поле, в котором находится рамка, является неоднородным. Линии магнитной индукции – окружности, охватывающие длинный проводник, они перпендикулярны плоскости рамки и вектор направлен «от нас». Нормаль к плоскости рамки, как принято, связана правилом буравчика с током в рамке и также направлена «от нас» (см. рис. 78). В этом случае проекция вектора на нормаль положительна и равна модулю вектора :

(3)

Для вычисления магнитного потока в начальном положении рамки отметим, что в неоднородном магнитном поле величину находят как сумму элементарных потоков через бесконечно малые площадки :

(4)

Элементарные площадки выберем в форме узких полосок ширины и площадью , параллельных длинному проводнику и находящихся от него на расстоянии, равном (см. рис. 78). В пределах такой полоски величину , определяемую формулой (2), можно считать одинаковой. Подставляя значение проекции с учетом формулы (2) в выражение (4), рассчитаем магнитный поток в начальном положении рамки следующим образом:

(5)

Здесь пределы интегрирования по переменной взяты соответственно , чтобы охватить всю площадь рамки, по которой суммируются элементарные магнитные потоки

После поворота плоскости рамки относительно оси на угол рамка вновь будет расположена в плоскости рисунка, но только вектор нормали к плоскости рамки, повернувшись также на угол, равный , будет направлен «к нам», т. е. нормаль . В таком положении рамки проекция вектора на нормаль отрицательна:

(6)

Соответственно, магнитный поток в конечном положении рамки, определяемый интегралами (4)и (5), будет отличаться от величины только знаком:

(7)

С учетом выражений (5) и (7) формула (1) для вычисления работы преобразуется к следующему виду:

(8)

Вычисляем величину работы при повороте рамки по расчетной формуле (8), принимая для воздуха магнитную проницаемость :

.

Величина работы отрицательна, так как поворот совершается моментом внешних сил, поворачивающим рамку из положения устойчивого равновесия: в начальном положении рамки ее магнитный момент .