Плотность энергии магнитного поля

Работа электрического поля по перемещению заряда

Понятие работы A{\displaystyle A} электрического поля E{\displaystyle E} по перемещению заряда Q{\displaystyle Q} вводится в полном соответствии с определением механической работы:

A=∫F(x)dx=∫Q⋅E(x)dx=Q⋅U,{\displaystyle A=\int F(x)\,dx=\int Q\cdot E(x)\,dx=Q\cdot U,}

где U=∫Edx{\displaystyle U=\int E\,dx} — разность потенциалов (также употребляется термин напряжение).

Во многих задачах рассматривается непрерывный перенос заряда в течение некоторого времени между точками с заданной разностью потенциалов U(t){\displaystyle U(t)}, в таком случае формулу для работы следует переписать следующим образом:

A=∫U(t)dQ=∫U(t)I(t)dt,{\displaystyle A=\int U(t)\,dQ=\int U(t)I(t)\,dt,}

где I(t)=dQdt{\displaystyle I(t)={dQ \over dt}} — сила тока.

ФИЗИКА

§ 5.8. Энергия магнитного поля тока

Найдем энергию, которой обладает электрический ток в проводнике. Согласно закону сохранения энергии энергия тока равна той энергии, которую должен затратить источник тока (гальванический элемент, генератор на электростанции и др.) на создание тока. При прекращении тока эта энергия выделяется в той или иной форме.

Энергия тока, о которой сейчас пойдет речь, совсем иной природы, чем энергия, выделяемая постоянным током в цепи в виде теплоты, количество которой определяется законом Джоуля—Ленца.

При замыкании цепи, содержащей источник постоянной ЭДС, энергия источника тока первоначально расходуется на создание тока, т. е. на приведение в движение электронов проводника и образование связанного с током магнитного поля, а также отчасти на увеличение внутренней энергии проводника, т. е. на его нагревание. После того как установится постоянное значение силы тока, энергия источника расходуется исключительно на выделение теплоты. Энергия тока при этом уже не изменяется.

Точно так же, для того чтобы разогнать автомашину на горизонтальном участке пути до постоянной скорости υ, нужно совершить работу . Часть мощности двигателя при этом тратится на преодоление трения, а часть — на увеличение скорости машины. При υ = const вся мощность двигателя расходуется на преодоление трения, а кинетическая энергия машины не меняется.

Выясним теперь, почему же для создания тока необходимо затратить энергию, т. е. необходимо совершить работу. Объясняется это тем, что при замыкании цепи, когда ток начинает нарастать, в проводнике появляется вихревое электрическое поле, действующее против того электрического поля*, которое создается в проводнике благодаря источнику тока. Для того чтобы сила тока стала равной I, источник тока должен совершить работу против сил вихревого поля. Эта работа и идет на увеличение энергии тока. Вихревое поле совершает отрицательную работу.

При размыкании цепи ток исчезает и вихревое поле совершает положительную работу. Запасенная током энергия выделяется. Это обнаруживается по мощной искре, возникающей при размыкании цепи с большой индуктивностью.

Записать выражение для энергии тока I, текущего по цепи с индуктивностью L, можно на основании аналогии между инерцией и самоиндукцией, о которой говорилось в § 5.7.

Если самоиндукция аналогична инерции, то индуктивность в процессе создания тока должна играть ту же роль, что и масса при увеличении скорости тела в механике. Роль скорости тела в электродинамике играет сила тока I как величина, характеризующая движение электрических зарядов.

Если это так, то энергию тока Wм можно считать величиной, подобной кинетической энергии тела в механике, и записать в виде:

Плотность энергии магнитного поля

Именно такое выражение для энергии тока и получается в результате расчетов.

Работа А, совершаемая источником с ЭДС E за малое время Δt, равна:

Согласно закону сохранения энергии эта работа равна сумме приращения энергии тока ΔWм и количества выделяемой теплоты Q = I2RΔt:

Плотность энергии магнитного поля

Отсюда приращение энергии тока

Плотность энергии магнитного поля

Согласно закону Ома для полной цепи

Плотность энергии магнитного поля

где — ЭДС самоиндукции. Заменяя в уравнении (5.8.3) произведение IR его значением (5.8.4), получим:

Плотность энергии магнитного поля

На графике зависимости LI от I (рис. 5.17) приращение энергии ΔWм численно равно площади прямоугольника abcd со сторонами LI и Δl. Полное изменение энергии при возрастании тока от нуля до l1 численно равно площади треугольника ОВС со сторонами l1 и Ll1. Следовательно,

Рис. 5.17

Энергия тока, определяемая формулой (5.8.1), выражена через характеристику проводника L и силу тока в нем I. Но эту же энергию можно выразить и через характеристики поля. Вычисления показывают, что плотность энергии магнитного поля ωм (т. е. энергия единицы объема) пропорциональна квадрату магнитной индукции, подобно тому как плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности электрического поля. В вакууме в единицах СИ

Плотность энергии магнитного поля

В абсолютной системе единиц Гаусса

Плотность энергии магнитного поля

Магнитное поле, созданное электрическим током, обладает энергией, прямо пропорциональной квадрату силы тока. Плотность энергии магнитного поля пропорциональна квадрату магнитной индукции.

* Это электрическое поле создается заряженными частицами на поверхности проводника в отличие от вихревого поля, порождаемого переменным магнитным полем.

Метки

  • алгоритм расчет цепей при несинусоидальных периодических воздействиях
  • алгоритм расчета цепей периодического несинусоидального тока
  • баланс мощностей
  • ВАХ нелинейного элемента
  • Векторная диаграмма
  • ветви связи
  • взаимная индуктивность
  • взаимная проводимость
  • вольт-амперная характеристика нелинейного элемента
  • второй закон Кирхгофа
  • второй закон Кирхгофа для магнитных цепей
  • входная проводимость
  • гармоники напряжения
  • гармоники тока
  • Генератор напряжения
  • генератор тока
  • главные контуры
  • графический метод расчета нелинейных электрических цепей
  • динамическое сопротивление
  • дифференциальное сопротивление
  • емкость двухпроводной линии
  • емкость коаксиального кабеля
  • емкость конденсатора
  • емкость однопроводной линии
  • емкость плоского конденсатора
  • емкость цилиндрического конденсатора
  • закон Ампера
  • закон Био Савара Лапласа
  • закон Ома
  • закон полного тока
  • закон электромагнитной индукции
  • Законы Кирхгофа
  • индуктивность
  • индуктивность двухпроводной линии
  • индуктивность однопроводной линии
  • индуктивность соленоида
  • катушка со сталью
  • Конденсатор в цепи постоянного тока
  • контурные токи
  • коэффициент амплитуды
  • коэффициент гармоник
  • коэффициент искажения
  • коэффициент магнитной связи
  • коэффициент мощности трансформатора
  • коэффициент трансформации
  • коэффициент формы
  • кусочно-линейная аппроксимация
  • магнитная постоянная
  • магнитная цепь
  • магнитный поток рассеяния
  • метод активного двухполюсника
  • метод двух узлов
  • метод контурных токов
  • метод наложения
  • метод узловых напряжений
  • метод узловых потенциалов
  • метод эквивалентного генератора
  • метод эквивалентного источника ЭДС
  • Метод эквивалентных преобразований
  • методы расчета магнитных цепей
  • независимые контуры
  • нелинейный элемент
  • несинусоидальный периодический ток
  • обобщенный закон Ома
  • опорный узел
  • основной магнитный поток
  • параллельное соединение конденсаторов
  • первый закон Кирхгофа
  • первый закон Кирхгофа для магнитных цепей
  • последовательное соединение конденсаторов
  • последовательный колебательный контур
  • постоянная составляющая тока
  • потери в меди
  • потери в стали
  • приведенный трансформатор
  • Примеры расчета схем при несинусоидальных периодических воздействиях
  • принцип взаимности
  • принцип компенсации
  • расчет гармоник тока
  • расчет магнитной цепи
  • расчет нелинейных цепей постоянного тока
  • расчет цепей несинусоидального тока
  • Расчет цепи конденсаторов
  • расчет цепи с несинусоидальными периодическими источниками
  • Резонанс в электрической цепи
  • решение задач магнитные цепи
  • сила Ампера
  • сила Лоренца
  • Символический метод
  • собственная проводимость
  • статическое сопротивление
  • сферический конденсатор
  • теорема об эквивалентном источнике
  • теорема Тевенена
  • топографическая диаграмма
  • Трансформаторы
  • трехфазная система
  • удельная энергия магнитного поля
  • уравнения трансформатора
  • Цепи с конденсаторами
  • частичные токи
  • чередование фаз
  • ЭДС самоиндукции
  • эквивалентная схема трансформатора
  • электрическая постоянная
  • электроемкость
  • энергия магнитного поля
Популярные статьи  Как подключить двойной проходной выключатель, если есть 2 провода по 3 жилы?

В накоплении энергии и топливе [ править ]

График выбранной плотности энергии ]

В приложениях для хранения энергии плотность энергии связывает энергию в хранилище энергии с объемом хранилища, например, топливного бака. Чем выше плотность энергии топлива, тем больше энергии может быть сохранено или транспортировано в том же объеме. Плотность энергии топлива на единицу массы называется удельной энергией этого топлива. Как правило, двигатель, использующий это топливо, будет генерировать меньше кинетической энергии из-за неэффективности и термодинамических соображений — следовательно, удельный расход топлива двигателем всегда будет больше, чем его скорость производства кинетической энергии движения.

Плотность энергии отличается от эффективности преобразования энергии (чистый выход на вход) или воплощенной энергии (затраты на выработку энергии для обеспечения, поскольку сбор , очистка , распределение и борьба с загрязнением используют энергию). Крупномасштабное и интенсивное использование энергии оказывает влияние на климат , хранение отходов и экологические последствия .

Ни один из методов хранения энергии не может похвастаться лучшими по удельной мощности , удельной энергии и плотности энергии. Закон Пейкерта описывает, как количество полезной энергии, которая может быть получена (для свинцово-кислотного элемента), зависит от того, как быстро она извлекается. Чтобы максимизировать как удельную энергию, так и плотность энергии, можно вычислить удельную плотность энергии вещества, умножив два значения вместе, где чем выше число, тем лучше вещество сохраняет энергию.

Обсуждаются альтернативные варианты накопления энергии для увеличения плотности энергии и сокращения времени зарядки.

На рисунке справа показаны гравиметрическая и объемная плотность энергии некоторых видов топлива и технологий хранения (изменено из статьи о бензине ).

Примечание. Некоторые значения могут быть неточными из-за изомеров или других нарушений. Подробную таблицу удельной энергии важных видов топлива см. В разделе Тепловая ценность .
Примечание

Также важно понимать, что обычно значения плотности химического топлива не включают вес кислорода, необходимый для сгорания. Обычно это два атома кислорода на атом углерода и один на два атома водорода

Атомный весуглерода и кислорода похожи, а водород намного легче кислорода. Цифры представлены таким образом для тех видов топлива, где на практике воздух будет втягиваться в горелку только локально. Это объясняет явно более низкую плотность энергии материалов, которые уже включают в себя свой собственный окислитель (например, порох и тротил), где масса окислителя фактически добавляет мертвый вес и поглощает часть энергии сгорания для диссоциации и высвобождения кислорода для продолжения Реакция. Это также объясняет некоторые очевидные аномалии, такие как плотность энергии сэндвича, который оказывается выше, чем у динамитной шашки.

3.20. Магнетики. Вещества в магнитном поле

Вещества, способные намагничиваться и влиять на направление вектора магнитной индукции внешнего поля B, называются магнетиками.

Способность намагничиваться — создание собственного магнитного поля в веществе, которое или усиливает, или уменьшает внешнее магнитное поле.

Собственные магнитные свойства вещества определяются электронами, связанными с атомами. Строение атома подразумевает наличие электрона e, вращающегося вокруг ядра. Магнитный момент электрона , то есть каждая орбита электрона в атоме обладает собственным магнитным моментом и создает собственное магнитное поле. В целом в веществе суммарные магнитные моменты электронов в атоме расположены хаотично и их сумма зачастую равна нулю.

Под действием внешнего магнитного поля собственные магнитные поля, созданные электронами, упорядочиваются. Это и есть явление намагниченности. Оно может сохраняться после снятия магнитного поля, а может и исчезать. У ферромагнетиков оно сохраняется, а у диа и парамагнетиков исчезает.

В результате поле равно: , где каппа — магнитная восприимчивость, которая определяется внешним воздействием, а и — магнитные моменты электронных орбит.

; — магнитная проницаемость.

.

Для разных веществ значение может принимать как положительные, так и отрицательные значения. В большинстве веществ собственные магнитные моменты атомов (молекул) не зависят друг от друга и хаотично расположены в пространстве. Если к такому веществу приложить внешнее поле, то собственный магнитный момент каждого атома стремится, как волчок, выровнять положение оси вращения вдоль силовых линий внешнего поля.

Bвне — индукция внешнего магнитного поля, Pm- собственный магнитный момент атома.

Изменение собственной оси вращения (собственного магнитного момента) относительно вектора магнитной индукции (внешнего поля) называется прецессией.

Собственный механический момент или количество движения Ls (спин)

Механические моменты электронов в атоме могут отличаться только направлением движения по орбите (вдоль и против часовой стрелки).

  1. Если внешнее магнитное поле затрачивает энергию на прецессию, то её результирующее магнитное поле ослабляется. Такие вещества называют диа–магнетиками: .
  2. В некоторых веществах внешнее магнитное поле не затрачивает энергию на прецессию, а разворачивает весь атом так, чтобы его собственное магнитное поле совпадало с внешним магнитным полем. Эти вещества -парамагнетики. Для них .

Парамагнетики

Стрелками укажем магнитные моменты отдельных атомов.

Ферромагнетики.

Для объяснения ферромагнетизма вводим понятие доменов. Домен — совокупность атомов с одинаковым направлением собственных магнитных полей. Подобные совокупности атомов требуют меньше энергии для образования доменов, т.е. энергетически более выгодны по сравнению с разрозненными атомами. В целом собственное магнитное поле вещества равно нулю. Под действием внешнего магнитного поля домены могут увеличиваться за счет других доменов вплоть до поглощения неориентированных доменов, то есть все пространство вещества заполняется доменами, ориентированными вдоль поля. При снятии внешнего поля обратной переориентации не происходит, так как это энергетически не выгодно. В этом случае магнитная восприимчивость составляет тысячи и десятки тысяч единиц. Оказывается, реакция вещества на воздействие внешнего магнитного поля носит нелинейный характер. Это определяется способностью собственных магнитных моментов переориентироваться во внешнем магнитном поле. Сначала идёт резкое изменение ориентации во внешнем магнитном поле, магнитные моменты ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля. Дальнейшее увеличение магнитного поля не изменяет намагниченность, так как все магнитные моменты уже ориентированы вдоль поля. Зависимость результирующего магнитного поля в веществе в целом в зависимости от внешнего поля носит характер гистерезиса.

B1 — остаточная индукция. H1 — коэрцетивная сила.

B1 — в веществе остается собственное магнитное поле без внешнего магнитного поля H1 = 0, (так создаются постоянные магниты).

H1 — внешнее поле, необходимое для снятия собственной намагниченности, B1=0. Эта величина называется коэрцетивная сила.

Анализ петли гистерезиса см. в разделе “Сегнетоэлектрики”. Если коэрцетивная сила велика, то говорят, что ферромагнетик жёсткий, если мала — то мягкий.

Популярные статьи  Как правильно называется деталь для крепления и защиты электрокабеля?

Магнитные линии и магнитный поток

Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле.

Как вы могли заметить на рисунке, концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.

Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии — они замкнуты и непрерывны. В магните это будет выглядеть примерно так.

Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов

Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание

Итак, ниже важные свойства магнитных силовых линий.

  • Магнитные линии не поддаются гравитации.
  • Никогда не пересекаются между собой.
  • Всегда образуют замкнутые петли.
  • Имеют определенное направление с севера на юг.
  • Чем больше концентрация силовых линий, тем сильнее магнитное поле.
  • Слабая концентрация силовых линий указывает на слабое магнитное поле.

Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.

Итак, давайте рассмотрим два рисунка и ответим себе на вопрос, где плотность магнитного потока будет больше? На рисунке «а» или на рисунке «б»?

Видим, что на рисунке «а» мало силовых магнитных линий, а на рисунке «б» их концентрация намного больше. Отсюда можно сделать вывод, что плотность магнитного потока на рисунке «б» больше, чем на рисунке «а».

В физике формула магнитного потока записывается как

где

Ф — магнитный поток, Вебер

В — плотность магнитного потока, Тесла

а — угол между перпендикуляром n (чаще его зовут нормалью) и плоскостью S, в градусах

S — площадь, через которую проходит магнитный поток, м2

Что же такое 1 Вебер? Один вебер — это магнитный поток, который создается полем индукцией 1 Тесла через площадку 1м2 расположенной перпендикулярно направлению магнитного поля.

Основные уравнения

Поскольку вектор магнитной индукции является одной из основных фундаментальных физических величин в теории электромагнетизма, он входит в огромное множество уравнений, иногда непосредственно, иногда через связанную с ним напряжённость магнитного поля. По сути, единственная область в классической теории электромагнетизма, где он отсутствует, это пожалуй разве только чистая электростатика.

(Здесь формулы приведем в СИ, в виде для вакуума, где есть варианты для вакуума — для среды; запись в другом виде и подробности — см. по ссылкам).

В магнитостатике

В магнитостатическом пределе наиболее важными являются:

  • Закон Био — Савара — Лапласа: играет в магнитостатике ту же роль, что закон Кулона в электростатике:
    B→(r→)=μ4π∫L1I(r→1)dL1→×(r→−r→1)|r→−r→1|3,{\displaystyle {\vec {B}}\left({\vec {r}}\right)={\mu _{0} \over 4\pi }\int \limits _{L_{1}}{\frac {I\left({\vec {r}}_{1}\right){\vec {dL_{1}}}\times \left({\vec {r}}-{\vec {r}}_{1}\right)}{\left|{\vec {r}}-{\vec {r}}_{1}\right|^{3}}},}
    B→(r→)=μ4π∫j→(r→1)dV1×(r→−r→1)|r→−r→1|3,{\displaystyle {\vec {B}}\left({\vec {r}}\right)={\mu _{0} \over 4\pi }\int {\frac {{\vec {j}}\left({\vec {r}}_{1}\right)dV_{1}\times \left({\vec {r}}-{\vec {r}}_{1}\right)}{\left|{\vec {r}}-{\vec {r}}_{1}\right|^{3}}},}
  • Теорема Ампера о циркуляции магнитного поля:
    ∮∂S⁡B→⋅dl→=μIS≡μ∫Sj→⋅dS→,{\displaystyle \oint \limits _{\partial S}{\vec {B}}\cdot {\vec {dl}}=\mu _{0}I_{S}\equiv \mu _{0}\int \limits _{S}{\vec {j}}\cdot {\vec {dS}},}
    rotB→≡∇→×B→=μj→.{\displaystyle \mathrm {rot} \,{\vec {B}}\equiv {\vec {\nabla }}\times {\vec {B}}=\mu _{0}{\vec {j}}.}

В общем случае

Основные уравнения (классической) электродинамики общего случая (то есть независимо от ограничений магнитостатики), в которых участвует вектор магнитной индукции B→{\displaystyle {\vec {B}}}:

Три из четырех уравнений Максвелла (основных уравнений электродинамики)

divE→=ρε,   rotE→=−∂B→∂t{\displaystyle \mathrm {div} \,{\vec {E}}={\frac {\rho }{\varepsilon _{0}}},\ \ \ \mathrm {rot} \,{\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}}}
divB→=,    rotB→=μj→+1c2∂E→∂t{\displaystyle \mathrm {div} \,{\vec {B}}=0,\ \ \ \ \,\mathrm {rot} \,{\vec {B}}=\mu _{0}{\vec {j}}+{\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial {\vec {E}}}{\partial t}}}
а именно:

Закон отсутствия монополя:

divB→=,{\displaystyle \mathrm {div} \,{\vec {B}}=0,}

Закон электромагнитной индукции Фарадея:

rotE→=−∂B→∂t,{\displaystyle \mathrm {rot} \,{\vec {E}}=-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}},}

Закон Ампера — Максвелла:

rotB→=μj→+1c2∂E→∂t.{\displaystyle \mathrm {rot} \,{\vec {B}}=\mu _{0}{\vec {j}}+{\frac {1}{c^{2}}}{\frac {\partial {\vec {E}}}{\partial t}}.}

Формула силы Лоренца:

F→=qE→+qv→×B→,{\displaystyle {\vec {F}}=q{\vec {E}}+q\left,}
Следствия из неё, такие как

Выражение для силы Ампера, действующей со стороны магнитного поля на ток (участок провода с током)

dF→=Idl→×B→,{\displaystyle d{\vec {F}}=\left,}
dF→=j→dV×B→,{\displaystyle d{\vec {F}}=\left,}

выражение для момента силы, действующего со стороны магнитного поля на магнитный диполь (виток с током, катушку или постоянный магнит):

M→=m→×B→,{\displaystyle {\vec {M}}={\vec {m}}\times {\vec {B}},}

выражение для потенциальной энергии магнитного диполя в магнитном поле:

U=−m→⋅B→,{\displaystyle U=-{\vec {m}}\cdot {\vec {B}},}
  • а также следующих из них выражения для силы, действующей на магнитный диполь в неоднородном магнитном поле и т. д..
  • Выражение для силы, действующей со стороны магнитного поля на точечный магнитный заряд:
F→=Kqmr→r3.{\displaystyle {\vec {F}}=K{\frac {q_{m}{\vec {r}}}{r^{3}}}.}

(это выражение, точно соответствующее обычному закону Кулона, широко используется для формальных вычислений, для которых ценна его простота, несмотря на то, что реальных магнитных зарядов в природе не обнаружено; также может прямо применяться к вычислению силы, действующей со стороны магнитного поля на полюс длинного тонкого магнита или соленоида).

Выражение для плотности энергии магнитного поля

w=B22μ{\displaystyle w={\frac {B^{2}}{2\mu _{0}}}}

Оно в свою очередь входит (вместе с энергией электрического поля) и в выражение для энергии электромагнитного поля и в лагранжиан электромагнитного поля и в его действие. Последнее же с современной точки зрения является фундаментальной основой электродинамики (как классической, так в принципе и квантовой).

Что такое однородное и неоднородное магнитное поле

Однородное магнитное поле — это магнитное поле, в любой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинакова по модулю и направлению.

В однородном магнитном поле заряженная частица, движущаяся со скоростью \( \overrightarrow v\) перпендикулярно линиям индукции, подвергается воздействию силы \(\overrightarrow{F_л}\), постоянной по модулю и направленной перпендикулярно вектору скорости \(\overrightarrow v\). В таком поле магнитная индукция B во всех точках одинакова по модулю и направлению.

Благодаря силе Лоренца в однородном поле частицы движутся равномерно по окружности с центростремительным ускорением.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут

Сила Лоренца \(\overrightarrow{F_л}\) — электромагнитная сила со стороны магнитного поля, действующая на движущийся заряд q:

\(F=qE+q\left\)

Неизменность по модулю центростремительного ускорения частицы, движущейся с постоянной по модулю скоростью, означает, что частица равномерно движется по окружности с радиусом r.

Радиус r окружности определяется как частное произведения массы m со скоростью v и произведения электрического заряда q с индукцией B.

Радиус траектории движения частицы с постоянной массой и ее скорость не влияют на период ее обращения в однородном поле.

В однородном магнитном поле максимальный вращающий момент \(M_{max}\) при воздействии замкнутых проводников, изготовленных из очень тонкой проволоки разных размеров и форм, с током приобретает свойства:

  1. Он пропорционален силе тока в контуре I.
  2. Пропорционален площади контура.
  3. Для контуров с одинаковой площадью не зависит от их формы.
Популярные статьи  Линейный проводник (l): что это такое, назначение, особенности, требования

Таким образом, максимальный вращающий момент становится пропорциональным магнитному моменту \(P_{m}\) контура с током:

\(P_m=I\ast S.\)

Величина магнитного момента \(P_{m}\) характеризует действие магнитного поля на плоский контур с током.

В данном случае значение вращающего момента \(M_{max}\), действующего на контур с магнитным моментом \(P_{m}\), принимают равным единице.

Следовательно, формула для определения индукции B в однородном магнитном поле приобретает вид:

\(B=\frac{M_{max}}{P_m}.\)

 Примеры однородных магнитных полей:

  1. Магнитное поле внутри соленоида. Соленоид — длинная цилиндрическая катушка, состоящая из нескольких витков плотно намотанной по винтовой лестнице проволоки. Каждый виток создает свое магнитное поле, которое складывается с другими в общее поле. Оно является однородным при условии, что длина катушки значительно превосходит ее диаметр. Тогда внутри соленоида линии поля будут параллельными его оси и прямыми.
  2. Магнитное поле внутри тороидальной катушки. Здесь линии замыкаются внутри самой катушки. Представлены в виде окружностей, параллельных оси тора. Токи в обмотке тороидальной катушки текут равномерно по часовой стрелке.

Неоднородное магнитное поле — это магнитное поле, в котором сила, действующая на помещенную в это поле магнитную стрелку, в разных точках поля может быть различной как по модулю, так и по направлению.

В неоднородном магнитном поле магнитная индукция в разных местах имеет различные модули и направления. Для вычисления значения вектора \(\overrightarrow B\) в неоднородном поле необходимо определить вращающий момент, действующий на него. Для этого в некую точку помещают контур размеров, меньших в сравнении с расстояниями, на которых поле заметно меняется.

Примеры неоднородных магнитных полей:

  1. Снаружи соленоида. Линии на концах катушки соленоида не являются параллельными друг другу и тянутся от одного конца к другому. А снаружи вблизи боковой поверхности катушки поле практически отсутствует.
  2. Снаружи полосового магнита. Магнитное поле полосового магнита подобно полю вокруг соленоида. Магнитные линии тянутся от одного конца магнита к другому по направлению от северного полюса к южному. Имеется нейтральная зона.

Отличия однородного и неоднородного магнитных полей

  1. Однородное поле находится внутри проводника или магнита, неоднородное — снаружи.
  2. В однородном поле сила, действующая в разных точках, одинакова. В неоднородном — различна.
  3. Линии однородного магнитного поля являются одинаковыми по густоте и параллельными друг другу. В неоднородном поле линии отличаются по густоте и искривлены.
  4. Линии магнитной индукции однородного поля находятся на равном расстоянии друг от друга.

3.17. Энергия магнитного поля

Как любое поле, магнитное поле обладает энергией. Легче всего исследуется однородное магнитное поле, которое находится в соленоиде.

При замкнутом ключе внутри соленоида накапливается магнитная энергия. Если величину тока не менять в стационарных условиях, то часть тока идет через нагрузку, например, лампочку Л, другая часть через соленоид L.

При выключении ЭДС батареи в момент времени ток, протекающий в соленоиде, уменьшается и вызывает ЭДС электромагнитной индукции, препятствующую этому уменьшению. Эта ЭДС стремиться поддержать ток на нагрузке.

Поэтому величина тока на приборе плавно уменьшиться. Это происходит за счет энергии магнитного поля, накопленной в соленоиде.

Можно записать работу по переносу заряда для поддержания тока в цепи при выключении ключа, которая происходит за счет энергии магнитного поля, запасенной в соленоиде.

а так, как (Закон Фарадея-Ленца) и dq=Idt,

то — закон сохранения энергии.

Тогда полная энергия магнитного поля:

— полная магнитная энергия, запасенная в соленоиде с индуктивностью L. Аналогична ситуация с включением.

Схема включения цепи с соленоидом. Время релаксации τ — время, необходимое для установления в рабочих цепях режима равновесной (стационарной) работы.

3.1. Электромагнетизм

Электромагнетизм — это раздел электричества, рассматривающий воздействие движущихся зарядов на движущиеся заряды.

Движение заряда может быть равномерным (I закон Ньютона). Если к такому заряду привязать систему отсчета, то в этой системе заряд не движется. Таким образом, если другая заряженная частица движется параллельно первой с той же скоростью и в том же направлении, то между ними не будет магнитного взаимодействия, а только кулоновское взаимодействие. Итак, чтобы магнитное взаимодействие проявилось, частицы должны двигаться или с разной скоростью или в разном направлении.

Связь характеристик магнитного поля:

B = µ*H; где B — индукция магнитного поля; H — напряженность магнитного поля; µ = 1,16 * 10-6

Для того, чтобы заряды направленно двигались в пространстве, необходимо наличие проводящей среды, специально ориентированной в пространстве.

3.14. Явление электромагнитной индукции (взаимоиндукции)

В 1831 году Фарадей установил, что если изменять магнитный поток, проходящий через контур, то в этом контуре возникает ЭДС, препятствующая изменению внешнего магнитного поля. Пусть есть контур I, к которому подключен гальванометр, и контур II, к которому подключен резистор, и источник ЭДС.

  1. силовые линии II проводника пересекают первый контур. Если менять величину тока во II контуре, то меняется B2 , то есть магнитный поток, создаваемый вторым контуром также меняется. И по закону Фарадея в первом контуре возникает ЭДС.
  2. Удаление или приближение второго контура также вызывает ЭДС в первом.
  3. Можно поворачивать контура относительно друг друга, чтобы вызвать ЭДС в I контуре.
  4. Вызвать ЭДС можно также изменением магнитной среды, которая находится между контурами.

Приложение:

  1. Контуры с током, близко расположенные друг с другом называют связанными.
  2. Влияние одного контура на другой возможно только, если ток в контурах переменный (принцип трансформатора). Для усиления взаимодействия используют последовательно соединенные контура – соленоиды.

Пусть:

Соленоид 1 содержит N витков, а соленоид, II: N2 витков. S — поперечное сечение соленоида.

Если в соленоиде I изменить величину тока, то в соленоиде II возникает ЭДС, равная:

Если в каждом из контуров соленоида возникает ЭДС, то результирующая ЭДС соленоида будет равна произведению числа витков соленоида на ЭДС одного витка: Плотность энергии магнитного поля

то есть: , где L12 — коэффициент взаимной индукции первого соленоида относительно второго.

Если источник неэлектрических сил подключить ко второму соленоиду, а гальванометр к первому, то ЭДС, возникающую в первом соленоиде можно будет рассчитать аналогично:

, где — коэффициент взаимоиндукции II-ого соленоида относительно первого. Таким образом L21=L12

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Денис Серебряков/ автор статьи
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: