Магнитное поле и его основные характеристики

При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле. Магнитное поле представляет собой один из видов материи. Оно обладает энергией, которая прояв­ляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдель­ные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток.

Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направле­нии, перпендикулярном полю (рис. 34). Магнитное поле образуется только вокруг движущихся электрических зарядов, и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды. Магнитное и электрические поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле. Всякое изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля и, наоборот, всякое изме­нение магнитного поля сопровождается возникновением электри­ческого поля. Электромагнитное поле распространяется со ско­ростью света, т. е. 300 000 км/с.

Графическое изображение магнитного поля. Графически маг­нитное поле изображают магнитными силовыми линиями, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля; магнитные силовые линии всегда являются непрерывными и замкнутыми. Направление магнитного поля в каждой точке может быть определено при помощи магнитной стрелки. Северный полюс стрелки всегда уста­навливается в направлении действия сил поля.

Конец постоянного магнита, из которого выходят силовые линии (рис. 35, а), принято считать северным полюсом, а противоположный конец, в который зходят силовые линии,— южным полюсом (сило­вые линии, проходящие внутри магнита, не показаны). Распреде­ление силовых линий между полюсами плоского магнита можно обнаружить при помощи стальных опилок, насыпанных на лист бумаги, положенный на полюсы (рис. 35, б).

Для магнитного поля в воздушном зазоре между двумя парал­лельно расположенными разноименными полюсами постоянного маг­нита характерно равномерное распределение силовых магнитных линий (рис. 36) (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны).

Для более наглядного изображения магнитного поля силовые линии располагают реже или гуще. В тех местах, где магнитное поле сильнее, силовые линии располагают ближе друг к другу, там же, где оно слабее,— дальше друг от друга. Силовые линии нигде не пересекаются.

Во многих случаях удобно рассматривать магнитные силовые линии как некоторые упругие растянутые нити, которые стремятся сократиться, а также взаимно отталкиваются друг от друга (имеют взаимный боковой распор). Такое механическое представле­ние о силовых линиях позволяет наглядно объяснить возникнове­ние электромагнитных сил при взаимодействии магнитного поля и проводника с током, а также двух магнитных полей.

Основными характеристиками магнитного поля являются маг­нитная индукция, магнитный поток, магнитная проницаемость и напряженность магнитного поля.

Магнитная индукция и магнитный поток. Интенсивность маг­нитного поля, т. е. способность его производить работу, определяется величиной, называемой магнитной индукцией. Чем сильнее магнит­ное поле, созданное постоянным магнитом или электромагнитом, тем большую индукцию оно имеет. Магнитную индукцию В можно характеризовать плотностью силовых магнитных линий, т. е. числом силовых линий, проходящих через площадь 1 м² или 1 см², распо­ложенную перпендикулярно магнитному полю.

Различают однородные и неоднородные магнитные поля. В одно­родном магнитном поле магнитная индукция в каждой точке поля имеет одинаковое значение и направление. Однородным может счи­таться поле в воздушном зазоре между разноименными полюсами магнита или электромагнита (см. рис. 36) при некотором удалении от его краев.

Магнитный поток Ф, проходящий через какую-либо поверх­ность, определяется общим числом магнитных силовых линий, про­низывающих эту поверхность, например катушку / (рис. 37, а), следовательно, в однородном магнитном поле где 5 — площадь поперечного сечения поверхности, через которую проходят магнитные силовые линии.

Отсюда следует, что в таком поле магнитная индукция равна потоку, поделенному на площадь 5 поперечного сечения: Если какая-либо поверхность расположена наклонно по отно­шению к направлению магнитных силовых линий (рис. 37, б), то пронизывающий ее поток будет меньше, чем при перпендикулярном ее положении, т. е. Фг будет меньше Фь

 

В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб), эта единица имеет размерность В-с (вольт-секунда). Магнит­ная индукция в системе единиц СИ измеряется в теслах (Тл); 1 Тл = 1 Вб/м².

Магнитная проницаемость. Магнитная индукция зависит не только от силы тока, проходящего по прямолинейному проводнику или катушке, но и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, слу­жит абсолютная магнитная проницаемость р,_а. Единицей ее изме­рения является генри на метр (1 Гн/м = 1 Ом-с/м).

В среде с большей магнитной проницаемостью электрический ток определенной силы создает магнитное поле с большей индукцией. Установлено, что магнитная проницаемость воздуха и всех веществ, за исключением ферромагнитных материалов (см. § 18), имеет при­мерно то же значение, что и магнитная проницаемость вакуума. Абсолютную магнитную проницаемость вакуума называют магнит­ной постоянной, р,₀ = 4л-10^-7 Гн/м. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов в тысячи и даже десятки тысяч раз больше магнитной проницаемости неферромагнитных веществ. Отношение магнитной проницаемости ц_а какого-либо вещества к магнитной проницаемости вакуума щ называют относительной магнитной проницаемостью:

Напряженность магнитного поля. Напряженность Я не зависит от магнитных свойств среды, но учитывает влияние силы тока и фор­мы проводников на интенсивность магнитного поля в данной точке пространства. Магнитная индукция и напряженность связаны от­ношением

Следовательно, в среде с неизменной магнитной проницаемостью индукция магнитного поля пропорциональна его напряженности.

Напряженность магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м) или амперах на сантиметр (А/см). 58