II Раздел
Электромагнетизм
Магнетизм —это свойство некоторых тел притягивать к себе железные предметы. Такие тела называют магнитами. Они бывают естественные и искусственные.
Свойства магнитов.
1. Наибольшей силой притяжения обладают полюса (в магнетизме, в отличие от электричества полюса обозначаются не (+) и (-), а север (N) и юг (S) от английских слов North и South).
2. 
Одноименные полюса – отталкиваются, а разноименные – притягиваются.
3. Разделить полюса невозможно (если разрезать магнит — получиться два отдельных магнита со своими парами полюсов).
4. Магниты размагничиваются от нагреваний и ударов (вибрации).
Магнитное поле
Магнитное поле — это особый вид материи, который образуется:
1. Вокруг магнитов;
2. Вокруг движущихся электрических зарядов, т.е. проводников с током;
При изменении электрического поля.
Всякое изменение электрического поля образует магнитное поле и, наоборот, изменение магнитного поля порождает электрическое. Такое взаимодействие полей называется — электромагнитные волны.В том числе: радиоволны, видимый свет, ультрафиолетовое, инфракрасное излучение и пр.
Магнитное поле обозначается силовыми линиями, которые (в отличие от электрических силовых линий) всегда замкнуты, располагаются не только снаружи, но и внутри источника и направлены в ту сторону, куда поворачивается северный конец магнитной стрелки компаса,т.е.снаружи источника магнитные силовые линии направлены от севера (N) к югу (S).
Примечание: электрические и магнитные поля распространяются во взаимоперпендикулярных плоскостях.
Силовые линии магнитного поля проводника с током распространяются в плоскости, перпендикулярной направлению тока. Направление этих силовых линий определяется по правилу буравчика:буравчик мысленно вворачиваем по направлению электрического тока в проводнике, тогда направление вращения его рукоятки будет указывать направление магнитных силовых линий. Направление тока обозначается крестом (ток – от нас) или точкой (ток – к нам).
Прим. Направление тока в проводнике определяется при помощи стрелки. Если стрелка показывает своё оперение, то ток направлен от нас, если свое остриё, то к нам.
Характеристики магнитного поля.
1. Магнитная индукция В, [Тл] (тесла) — характеризует энергию магнитного поля в какой-либо точке. Чем гуще силовые линии (обычно — ближе к полюсам), тем больше магнитная индукция.
2. Магнитный поток Ф, [Вб] (вебер) — характеризует общую энергию магнитного поля, т.е общее число силовых линий проходящих через какую либо площадь S.
Ф = В* S; В = Ф/ S.
Прим. Различия между магнитной индукцией и потоком можно объяснить на примере воды из лейки душа: мощность одной струи эквивалентна индукции, а сумма всех струй аналогична магнитному потоку. При этом на одиночный проводник в магнитном поле действует именно индукция, а на массивную деталь – весь поток.
3. Магнитная проницаемость µ, [мю]-характеризует магнитные свойства данного материала или среды в сравнении с магнитными свойствами вакуума – пустого пространства (µ=1), т.е насколько хорошо материал пропускает магнитный поток и намагничивается. (по сравнению с вакуумом)
Прим. Конкретное значение магнитной проницаемости для любого материала или среды характеризует абсолютная магнитная проницаемость µа. Единицы ее измерения — Гн/м (генри/метр). Для удобства принято считать относительную магнитную проницаемость µ= µа/µвсравнением с магнитной проницаемостью пустого пространства – вакуума, у которого абсолютная магнитная проницаемость µ = 4π*10 -7 Гн/м.
В зависимости от значения µ все материалы по магнитным свойствам делятся на 3 группы:
А) Ферромагнетики µ » 1( >7000 единиц ) — хорошо пропускают магнитный поток и намагничиваются (железо Fe, кобальт Cо, никель Ni);
Б) Парамагнетики µ ≥ 1 —намагничиваются слабо (алюминий Al, олово Sn и пр.);
Магнитное поле представляет собой особую форму материи которая проявляется через механическое взаимодействие токов и через возникновение ЭДС в проводниках движущихся в этом поле. Оно обнаруживается вокруг движущихся электрических зарядов, следовательно и вокруг проводника с током.
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.
Для того что бы определить направление магнитного поля можно воспользоваться магнитной стрелкой, или правилом буравчика.
Правило буравчика
Основные характеристики магнитного поля
Магнитная индукция B — это векторная величина определяющая силу действующую на заряженную частицу со стороны магнитного поля. Измеряется в теслах Тл.
B = Ф/S
магнитная постоянная.
µ — относительная магнитная проницаемость — табличная величина (для вакуума = 1)
Магнитный поток Ф — скалярная физическая величина числено равная произведению магнитной индукции на площадь поверхности ограниченной замкнутым контуром. Измеряется в веберах Вб.
Магнитный поток через контур максимален,если плоскость контура перпендикулярна магнитному полю.
Тогда магнитный поток рассчитывается по формуле:
Φmax = B · S
Магнитный поток через контур равен нулю,если контур располагается параллельно магнитному полю.
Напряженность H – это векторная величина независящая от магнитных свойств среды. Измеряется в ампер на метр А/М.
Магнитная проницаемость. Магнитная индукция зависит не только от силы тока, проходящего по проводнику или катушке, но и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, служит магнитная проницаемость.
отдельные вещества: ферримагнетики (металлы — преимущественно чугуны, железо и сплавы из них) и их класс ферритов вне зависимости от состояния;
движущиеся заряды электричества.
Физические тела, обладающие суммарным магнитным моментом электронов или других частиц, называют постоянными магнитами . Их взаимодействие представлено на картинке силовыми магнитными линиями .
Они образовались после поднесения постоянного магнита к обратной стороне картонного листа с ровным слоем железных опилок. Картинка демонстрирует четкую маркировку северного (N) и южного (S) полюсов с направлением силовых линий относительно их ориентации: выход из северного полюса и вход в южный.
Как создается магнитное поле
Источниками магнитного поля являются:
изменяющееся во времени электрическое поле.
С действием постоянных магнитов знаком каждый ребенок детсадовского возраста. Ведь ему уже приходилось лепить на холодильник картинки-магнитики, извлекаемые из упаковок с всякими лакомствами.
Находящиеся в движении электрические заряды обычно обладают значительно большей энергией магнитного поля, чем постоянные магниты. Его тоже обозначают силовыми линиями. Разберем правила их начертания для прямолинейного проводника с током I.
Магнитная силовая линия проводится в плоскости, перпендикулярной движению тока так, чтобы в каждой ее точке сила, действующая на северный полюс магнитной стрелки, направлялась по касательной к этой линии. Таким образом создаются концентрические окружности вокруг движущегося заряда.
Направление этих сил определяется известным правилом винта или буравчика с правосторонней навивкой резьбы.
Необходимо расположить буравчик соосно с вектором тока и вращать рукоятку так, чтобы поступательное движение буравчика совпадало с его направлением. Тогда ориентация силовых магнитных линий будет показана вращением рукоятки.
В кольцевом проводнике вращательное движение рукоятки совпадает с направлением тока, а поступательное — указывает на ориентацию индукции.
Магнитные силовые линии всегда выходят из северного полюса и входят в южный. Они продолжаются внутри магнита и никогда не бывают разомкнутыми.
Правила взаимодействия магнитных полей
Магнитные поля от разных источников складываются друг с другом, образуя результирующее поле.
При этом магниты с разноименными полюсами (N — S) притягиваются друг к другу, а с одноименными (N – N, S — S) — отталкиваются. Силы взаимодействия между полюсами зависят от расстояния между ними. Чем ближе сдвинуты полюса, тем большее усилие возникает.
Основные характеристики магнитного поля
вектор магнитной индукции ( В );
магнитный поток (Ф);
Интенсивность или силу воздействия поля оценивают величиной вектора магнитной индукции . Она определяется значением силы «F», создаваемой проходящим током «I» по проводнику длиной «l». В =F/(I∙l)
Единица измерения магнитной индукции в системе СИ — Тесла (в знак памяти об ученом физике, который исследовал эти явления и описал их математическими методами). В русской технической литературе она обозначается «Тл», а в международной документации принят символ «Т».
1 Тл — это индукция такого однородного магнитного потока, который воздействует с силой в 1 ньютон на каждый метр длины прямолинейного проводника, перпендикулярно расположенного направлению поля, когда по этому проводнику проходит ток 1 ампер.
Направление вектора В определяется по правилу левой руки.
Если расположить ладонь левой руки в магнитном поле так, чтобы силовые линии из северного полюса входили в ладонь под прямым углом, а четыре пальца расположить по направлению тока в проводнике, то оттопыренный большой палец укажет направление действия силы на этот проводник.
В случае, когда проводник с электрическим током расположен не под прямым углом к магнитным силовым линиям, то сила, воздействующая на него, будет пропорциональна величине протекающего тока и составляющей части проекции длины проводника с током на плоскость, расположенную в перпендикулярном направлении.
Сила, воздействующая на электрический ток, не зависит от материалов, из которых создан проводник и площади его сечения. Даже если этого проводника вообще не будет, а движущиеся заряды станут перемещаться в другой среде между магнитными полюсами, то эта сила никак не изменится.
Если внутри магнитного поля во всех точках вектор В имеет одинаковое направление и величину, то такое поле считают равномерным.
Любая среда, обладающая магнитными свойствами, оказывает влияние на значение вектора индукции В .
Магнитный поток (Ф)
Если рассматривать прохождение магнитной индукции через определенную площадь S, то ограниченная ее пределами индукция будет называться магнитным потоком.
Когда площадь наклонена под каким-то углом α к направлению магнитной индукции, то магнитный поток уменьшается на величину косинуса угла наклона площади. Максимальное же его значение создается при перпендикулярном расположении площади к ее пронизывающей индукции. Ф=В·S
Единицей измерения магнитного потока является 1 вебер, определяемый прохождением индукции в 1 теслу через площадь в 1 метр квадратный.
Этот термин используется для получения суммарной величины магнитного потока, создаваемого от определенного количества проводников с током, расположенных между полюсами магнита.
Для случая, когда один и тот же ток I проходит по обмотке катушки с числом витков n, то полный (сцепленный) магнитный поток от всех витков называют потокосцеплением Ψ.
Ψ=n·Ф . Единицей измерения потокосцепления является 1 вебер.
Как образуется магнитное поле от переменного электрического
Электромагнитное поле, взаимодействующее с электрическими зарядами и телами, обладающими магнитными моментами, представляет собой совокупность двух полей:
Они взаимосвязаны, представляют собой совокупность друг друга и при изменении в течение времени одного происходят определенные отклонения в другом. К примеру, при создании переменного синусоидального электрического поля в трехфазном генераторе одновременно образуется такое же магнитное поле с характеристиками аналогичных чередующихся гармоник.
Магнитные свойства веществ
По отношению к взаимодействию с внешним магнитным полем вещества подразделяют на:
антиферромагнетики с уравновешенными магнитными моментами, благодаря чему создается очень малая степень намагниченности тела;
диамагнетики со свойством намагничивания внутреннего поля против действия внешнего. Когда же внешнее поле отсутствует, то у них магнитные свойства не проявляются;
парамагнетики со свойствами намагничивания внутреннего поля по направлению действия внешнего, которые обладают малой степенью магнетизма;
ферромагнетики , обладающие магнитными свойствами без приложенного внешнего поля при температурах, меньших значения точки Кюри;
ферримагнетики с неуравновешенными по величине и направлению магнитными моментами.
Все эти свойства веществ нашли разнообразное применение в современной технике.
Этим термином называют совокупность различных магнитных материалов, по которым пропускают магнитный поток. Они являются аналогом электрических цепей и описываются соответствующими математическими законами (полного тока, Ома, Кирхгофа и др). Смотрите — Основные законы электротехники.
На основе расчетов магнитных цепей работают все трансформаторы, индуктивности, электрические машины и многие другие устройства.
Например, у работающего электромагнита магнитный поток проходит по магнитопроводу из ферромагнитных сталей и воздуху с выраженными не ферромагнитными свойствами. Совокупность этих элементов и составляет магнитную цепь.
Большинство электрических аппаратов в своей конструкции имеют магнитные цепи. Подробнее про это читайте в этой статье — Магнитные цепи электрических аппаратов
