Индукция магнитного поля

Введение

Магнитные явления сопровождают человека повсюду: от работы электродвигателей и генераторов до функционирования компьютеров, смартфонов и бытовой техники. Все эти устройства основаны на действии магнитного поля. Чтобы количественно описывать магнитное поле и сравнивать его в различных условиях, в физике вводится специальная величина — магнитная индукция.

Магнитное поле нельзя увидеть непосредственно, однако его можно обнаружить по действию на движущиеся электрические заряды, проводники с током и магнитные стрелки. Для описания силы и направления этого действия используется вектор магнитной индукции. Понимание физического смысла магнитной индукции позволяет объяснить работу многих технических устройств и глубже понять связь между электрическими и магнитными явлениями.

В данной теме рассматривается физический смысл индукции магнитного поля, способы её экспериментального определения, а также формула, связывающая магнитную индукцию с силой, действующей на проводник с током.

Понятие индукции магнитного поля

Для характеристики магнитного поля в каждой точке пространства вводится физическая величина — вектор магнитной индукции, который обозначается буквой B. Эта величина показывает, с какой силой и в каком направлении магнитное поле действует на проводник с током или на движущийся заряд.

Магнитная индукция является векторной величиной, то есть имеет не только числовое значение, но и направление. Направление вектора магнитной индукции в данной точке совпадает с направлением, в котором ориентируется северный полюс магнитной стрелки, помещённой в эту точку.

Чем больше магнитная индукция, тем сильнее магнитное поле воздействует на токи и заряды. В системе СИ магнитная индукция измеряется в теслах (Тл).

Эксперимент по определению вектора магнитной индукции

Для экспериментального определения вектора магнитной индукции используют действие магнитного поля на проводник с током. Если поместить прямолинейный проводник длиной $l$, по которому протекает ток $I$, в однородное магнитное поле, то на него будет действовать сила, называемая силой Ампера.

В ходе эксперимента наблюдают:

• направление отклонения проводника;

• зависимость силы от направления тока;

• зависимость силы от ориентации проводника относительно магнитного поля.

Установлено, что максимальная сила действует в том случае, когда проводник расположен перпендикулярно линиям магнитного поля. Если же проводник расположен вдоль линий магнитного поля, сила, действующая на него, равна нулю.

Направление силы, действующей на проводник с током, определяется с помощью правила левой руки. Это позволяет экспериментально установить направление вектора магнитной индукции в данной точке пространства.

Таким образом, вектор магнитной индукции можно определить по направлению действия магнитного поля на проводник с током и по величине силы, возникающей при этом действии.

Формула для вектора магнитной индукции

Количественно магнитная индукция определяется через силу, действующую на проводник с током. Если проводник длиной $l$ расположен перпендикулярно линиям магнитного поля, то модуль силы Ампера выражается формулой:

Из этой формулы можно выразить магнитную индукцию:

​

Эта формула показывает, что магнитная индукция численно равна силе, действующей на единичную длину проводника с током силой 1 ампер, расположенного перпендикулярно магнитному полю.

Формула справедлива для однородного магнитного поля и используется для экспериментального определения магнитной индукции. Если проводник расположен под углом к линиям магнитного поля, то сила уменьшается, и в формулу вводится дополнительный множитель, учитывающий угол между направлением тока и магнитного поля.

Физический смысл магнитной индукции

Магнитная индукция характеризует:

• силовое действие магнитного поля;

• направление магнитного поля в каждой точке пространства;

• способность магнитного поля влиять на движение заряженных частиц и токов.

Чем больше значение магнитной индукции, тем сильнее магнитное поле и тем больше сила, действующая на проводник с током или на движущийся заряд. Именно поэтому в сильных магнитных полях наблюдаются более заметные эффекты, такие как значительное отклонение проводников или искривление траекторий частиц.

Практическое значение магнитной индукции

Понятие магнитной индукции широко используется в науке и технике. Расчёты магнитной индукции необходимы при проектировании:

• электродвигателей и генераторов;

• трансформаторов;

• электромагнитов;

• измерительных приборов;

• ускорителей заряженных частиц.

Знание магнитной индукции позволяет управлять магнитными полями и использовать их для выполнения полезной работы.

Вопросы для самопроверки

1. Что называется магнитной индукцией и какую физическую величину она характеризует?

2. Почему магнитная индукция является векторной величиной?

3. Как определяется направление вектора магнитной индукции?

4. В чём заключается эксперимент по определению магнитной индукции?

5. При каком расположении проводника сила Ампера максимальна и почему?

6. Запишите формулу для силы, действующей на проводник с током в магнитном поле.

7. Как из формулы силы Ампера получить выражение для магнитной индукции?

8. Каков физический смысл магнитной индукции?

9. В каких технических устройствах необходимо учитывать значение магнитной индукции?