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. Магнитное поле 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. 37). 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. 38), принято считать северным полюсом, а противоположный ко­нец, в который входят 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. 38, б).

Для магнитного поля в воздушном зазоре между двумя параллель­но расположенными разноименными полюсами постоянного магнита характерно равномерное распределение силовых магнитных линий (рис. 39) (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 меж­ду собой.

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. 39) 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 1 (рис. 40, а), следо­вательно, в однородном магнитном поле

Ф = BS

где S — площадь поперечного сечения поверхности, через которую проходят магнитные силовые линии.

Отсюда следует, что в таком поле магнитная индукция равна потюку, поделенному на площадь S поперечного сечения,

B = Ф/S ffj] _/ (41)

Если какая-либо поверхность расположена наклонно по отноше­нию к направлению магнитных силовых линий (рис. 40, б), то прони­зывающий ее поток будет меньше, чем при перпендикулярном ее положении, т. е. Ф₂ будет меньше Ф₁.

В системе единицы 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 μ_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, имеет при­мерно то же значение, что и магнитная проницаемость вакуума. Аб­солютную магнитную проницаемость вакуума называют магнитной постоянной μ₀ = 4π·10^-7 Гн/м. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов в тысячи и даже десятки тысяч раз больше магнит­ной проницаемости неферромагнитных веществ. Отношение магнитной проницаемости μ_а какого-либо вещества к магнитной прони­цаемости вакуума μ₀ называют относительной магнитной прони­цаемостью

μ = μ_а /μ₀

Напряженность магнитного поля. Напряженность Н 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 между собой отношением

Н= B/ μ_а = В/ μ μ₀

Следовательно, в среде c 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).