Чтобы убедиться в присутствии магнитного поля в проводнике через который идет ток, можно поднести сверху к нему обычный компас. Стрелка компаса сразу отклонится в сторону. Если поднести компас к проводнику с током снизу - стрелка отклонится в противоположную сторону.

Итак, стрелка компаса отклонилась и установилась вдоль магнитного поля, создаваемого током. Впервые, такой опыт провел в 1820 году, датский физик Эрстед.

Таким образом, электрический ток бегающий по проводнику, создает магнитное поле вокруг этого проводника.

Возле проволочного витка с током на рисунке выше можно заметить две области южный и северный магнитные полюсы. Направление магнитного поля определяется направлением тока, который это поле создал. Если расположить рядом друг с другом два проводника и пропустить через них эл.ток, то в любой точке между ними силы, действующие на стрелку компаса, будут задаваться магнитными полями обоих проводников. Причем в зависимости от токового направления оба магнитных поля могут либо действовать друг против друга и даже полностью взаимно уничтожаться, либо - синхронно. При согласованном действии полей их обоюдные усилия складываются.

Простой металлический проводник с током, образующий магнитное поле небольшой величины, не имеет практической ценности, а вот если его свернуть в кольцо, то появляются сразу три явления: во-первых, силовые линии собираются вместе, концентрируются в центре кольца и появляются Южный и Северный полюсы.

Большее усиление суммарного маг. поля достигается, если свернуть из проводника сразу несколько колец. Магнитное поле внутри такого кольца будет суммой многих согласованно действующих полей и многократно усилится, по сравнению с полем не изогнутого проводника. Такой спиралевидный компонент называют катушкой. На этом принципе работают электромагниты во всех электронных устройствах. Он состоит из огромного числа витков, уложенных очень плотно. Это позволяет всем силовым линиям собраться вместе, при протекании эл.тока.

Чем больше количество витков в катушке тем больше силовых линий соберется вместе, и тем больше ток. Следовательно, величина магнитного поля прямо пропорциональна количеству витков и токовому номиналу. Для поддержания силовых линий внутрь катушки помещают металлический сердечник.

Убедившись, опытным путем в существовании вокруг проводника с током магнитного поля, то-есть пространства, где присутствуют некоторые силы, попытаемся разобраться со свойствами этого поля в следующем эксперименте. Поместим на бумажный лист тонкий слой железных и проложим через центр листа металлический проводник. В момент подачи напряжения через проводник, опилки лягут вокруг проводника правильными концентрическими окружностями. Линии, нарисованные опилками, полностью совпадают с силовыми линиями магнитного поля . Таким образом, магнитные силовые линии не имеют ни начала, ни конца, а являются полностью замкнутыми. Стрелка компаса ориентированная на север, в магнитном поле, всегда показывает направлении вдоль магнитных силовых линий.

Свойства магнитных силовых линий обладают отдельными чертами со свойствами электрических силовых линий. Магнитные силовые линии пытаются сократить свою длину; если, силовые линии однонаправленные, то они будут отталкиваться друг от друга, е если противополож­но направленные, то притягиваются и даже могут взаимно уничтожить друг друга.

Магнитные силовые линии протекают через железо гораздо легче, чем через другие вещества. Если расположить железный пустотелый шар в магнитном поле, созданным постоянным магнитом, то силовые линии пройдут через оболочку этого шара, не попадая в внутреннюю полость.

Это свойство магнитного поля получило широкое распространение в радиоэлектронике для защиты различных компонентов схемы, например, трансформаторов, катушек индуктивности и пр., от влияния внешних магнитных полей. Такая защита получила название антимагнитное экранирование .

Напряженность магнитного поля , оценивают по количеству магнитных силовых линий в какой-то точке поля. Напряженность магнитного поля обозначают в формулах латинским символом Н . Напряженность магнитного поля показывает общее число силовых линий магнитного поля, проходящих через один см 2 поперечного сечения поля.

Магнитные силовые линии, пронизывающие объект, называют магнитным потоком . Он будет тем больше, чем больше количество силовых линий проходит через какой-то предмет. Магнитный поток в формулах обозначают символом Ф.

Направление силовых линий связано с направлением следования . Наиболее простым способом определения направления магнитных силовых линий считается использование правила буравчика

Определение правило буравчика : если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока идущего через проводник, то направление вращения буравчика совпадет с направлением магнитных силовых линий .

Придадим проводнику форму кольца. Пользуясь правилом буравчика, мы легко выясним, что силовые линии, генерируемые всеми участками проводника, имеют внутри кольца одинаковое направление. Поэтому, внутри кольцевого проводника магнитное поле будет на порядок сильнее, чем снаружи.

В следующем опыте изготовим из проводника цилиндрическую спираль и подадим на нее электрический ток, который будет идти по всем виткам в одном и том же направлении. Это будет эквивалентно тому, что мы разместим ряд кольцевых проводников на одной общей оси. Проводник, имеющий такую форму, получил название соленойд или катушка.

Используя правило буравчика, мы легко поймем, что силовые линии, создаваемые витками соленойда, имеют внутри него одинаковое направление и значит более сильное магнитное поле, чем внутри любого одного витка. Между соседними витками катушки магнитные силовые линии направлены навстречу друг другу, и по­этому магнитное поле в этих местах будет ослаблено. Снаружи катушки направление всех силовых линий будет совпадать.

Магнитное поле катушки сильнее, если выше сила тока, идущего по ее виткам, и чем ближе друг к другу, расположены они. Произведение силы тока в амперах на число витков, называется ампер- виток и описывает магнитное действие тока, то есть магнитодвижущую силу. Используя новые термины, можно сказать, что магнитное поле катушки тем выше, чем больше ампервитков на единицу осевой длины катушки .

Способность влиять магнитным полем на объект называется магнитной индукцией . При помещении в соленойд стального стержня (сердечника) ее магнитный поток увеличивается многократно. Объясняется это так. Железо, входящее в любой сплав стали имеет кристаллическую структуру. Отдельные кристаллы обладают свойствами мини магнитов. В обычном состоянии они расположены хаотично. Магнитные поля их взаимно уничтожаются, и поэтому стальной сердечник не проявляет магнитных свойств.

При помещении стального сердечника в магнитное поле молекулярные магниты поворачиваются на некоторый угол и устанавливаются вдоль силовых линий. Чем выше уровень магнитного поля, тем выше число молекулярных магнитов поворачивается и тем упорядочнее становится их расположение. Поля одинаково направленных магнитов не уничтожают уже друг друга, а наоборот, возрастают, увеличивая дополнительные силовые линии. Магнитный поток, создаваемый мини магнитами, во много раз выше основного магнитного потока, создаваемого соленойдом; именно поэтому магнитный поток соленойда при помещении в нее стального сердечника увеличивается многократно.

Если плавно увеличивать ток, протекающий по виткам соленойда, то магнитный поток в сердечнике будет возрастать до тех пор, пока все молекулярные магниты не повернутся по направлению силовых линий. После этого возрастание магнитного потока закончится. Это состояние сердечника называется магнитным насыщением .

Число, показывающее, во сколько раз вырос магнитный поток соленоида при введении в него сердечника, называется магнитной проницаемостью материала и обозначается символом µ . Магнитная проницаемость железа и отдельных стальных сплавов доходит до нескольких сотен тысяч. Для большинства обычных материалов она близка к единице.

Произведение напряженности магнитного поля Н на проницаемость материала µ получила название магнитной индукцией В .

Магнитная индукция определяет количество силовых линий в каком либо материале, проходящих через 1 см 2 сечения материала. После прекращения движения тока в катушке с обычным железным сердечником, теряет свои магнитные свойства, потому что молекулярные магниты снова располагаются хаотично. Если же сердечник стальной, то он сохраняет магнитные свойства. Объясняется это тем, что в стали молекулярные магниты способны сохранять свое направленное расположение. Соленойд с железным сердечником называют электромагнитом, так как его магнитные свойства обусловлены протеканием тока.

Поместим между полюсами постоянного магнита проводник, по которому идет электрический ток. Мы сразу заметим, что проводник будет выталкиваться полем магнита из междуполюсного пространства. Объяснить это достаточно просто...

Для определения полярности электромагнита применяют "Правило левой руки". Которое в упращенном варианте звучит следующим образом. Обхватывая левой рукой катушку индуктивности, четыре пальца покажут токовое направление, а большой укажет на Северный полюс магнита.

Правая рука повернутая ладонью навстречу силовым линиям магнитного поля, а большой палец направлен в сторону движения проводника, то четыре оставшихся пальца укажут, в каком направлении идет индукционный ток

Самоиндукция. ЭДС самоиндукции

В первые моменты времени после подачи тока значительная часть энергии источника питания расходуется на создание магнитного поля и лишь минимальная часть - на преодоление сопротивления проводника. Поэтому в момент замыкания схемы ток не сразу достигнет предельной своего максимального значения. Она установится в цепи лишь после окончания процесса создания магнитного поля

Наверное, все мы сталкивались в детстве с чудесными свойствами обыкновенных магнитов. Небольшой кусок металла привлекал к себе одни кусочки железа и отталкивал другие.

Удивительные свойства магнита этим не ограничиваются. Например, магнит, подвешенный на нити, всегда располагается в пространстве определенным образом - это свойство легло в основу изобретения компаса. Конечные точки магнита являются наиболее «сильными». Их принято называть «полюсами». Специфические свойства магнита обусловлены его магнитными полями, которые не являются веществом, но ведут себя весьма осязаемо. Одной из самых важных характеристик является напряженность магнитного поля.

Характеристики магнитного поля

Любое магнитное поле обладает энергией, которая проявляет себя при взаимодействии с другими телами. Под влиянием магнитных сил движущиеся частички меняют направление своего потока. Магнитное поле появляется лишь вокруг тех электрических зарядов, которые находятся в движении. Всякое изменение электрического поля влечет за собой появление магнитных полей.

Обратное утверждение также верно: изменение магнитного поля - предпосылка к возникновению электрического. Такое тесное взаимодействие привело к созданию теории электромагнитных сил, с помощью которых и сегодня успешно объясняются различные физические явления.

Изображение магнитных полей

Магнитное поле можно изобразить на листе бумаги при помощи силовых линий. Их рисуют таким образом, чтобы реальное направление сил поля в каждой точке совпадало с нарисованными. Направления силовых полей могут быть определены при помощи компасной стрелки, северный полюс которой всегда направлен по касательной к силовой линии. Северный полюс принято обозначать местом, откуда выходят силовые линии магнитного поля, и южный - местом их вхождения. Следует помнить, что такое разделение весьма условно, и принимается во внимание только из-за своей наглядности.

Что такое магнитная напряженность

Железные опилки, выстраивающиеся вдоль магнитных полей, доказывают, что магнитное поле имеет два важных показателя - величину и направление. В любой точке пространства магнитное поле распространяется со скоростью, равной скорости света в вакууме - 300000 километров/сек.

Чтобы дать определение характеристикам магнитного поля, ученые ввели величину «напряженность». Это векторная величина, указывающая направление действия магнитного поля и на количество его силовых линий. По своим характеристикам напряженность магнитного поля аналогична понятию «силы» в механике. Этот показатель не зависит от параметров среды, в которой проводятся эксперименты, а только от силы магнитного потока и расстояния до источника, продуцирующего поле. В различных случаях таким источником может служить одиночный магнит, магнитная катушка, электрический провод. В каждом из этих случаев возникает магнитное поле с определенными характеристиками.

Напряженность электромагнитного поля в экспериментах

Рассмотрим одиночный провод, по которому движется электрический ток. При движении этого провода вокруг него возникает магнитное поле. Его характеристики можно выразить через напряженность, которая определяется мерой воздействия магнитного поля на исследуемое тело.

Можно исследовать магнитное поле внутри катушки. В этом случае напряженность будет напрямую зависеть от количества витков катушки и расстояния между нею и исследуемым телом.

Объединяя эти два вывода, можно подвести итоги: напряженность магнитного поля в любой точке пространства обратно пропорциональна длине магнитной линии и прямо пропорциональна произведению количества витков катушки на силу тока.

Магнитная индукция

Определение напряженности магнитного поля было бы неполным без понятия «магнитная индукция». Эта величина объясняет, какую работу способно производить данное магнитное поле. Чем сильнее магнитное поле, тем больше работы оно может производить, тем больше значение его магнитной индукции.

В физике магнитная индукция обозначается литерой Ḇ. Наглядно ее можно изобразить в виде плотности магнитных силовых линий, приходящихся на единицу площади поверхности, которая расположена перперндикулярно к измеряемому магнитному полю. В настоящее время магнитная индукция измеряется в Теслах.

Магнитный поток

Еще одна величина, емко характеризующая магнитное поле. Магнитный поток определяет, какое количество силовых линий пронизывает определенную единицу площади. В однородном магнитном поле значение магнитного потока будет вычислено по формуле:

Ф= Ḇ/S, где:

Ф - магнитный поток;

Ḇ - значение магнитной индукции;

S - площадь, через которую проходя силовые линии магнитного поля.

В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в Веберах.

Формула напряженности

Физический смысл этой величины можно выразить формулой: Н= I×ω/ L, где:

L - расстояние между телом и источником магнитного поля;

ω - количество витков катушки;

I - сила тока в электрической цепи.

Из этого уравнения можно сделать вывод, что напряженность измеряется в [А/м], поскольку витки в катушке - количественная величина.

Намагничивающая сила

Произведение Н×I в данной формуле является не чем иным, как аналогией напряжения электрического поля. Если этот параметр применить ко всей длине линии магнитной индукции, то полученное произведение будет носить название намагничивающей силы (н.с). Эта физическая величина измеряется в амперах, но специалисты предпочитают термин «ампер-виток», подчеркивающий прямую зависимость силы от количества витков катушки.

Правило буравчика

Чтобы определить направление магнитного поля катушки или провода, специалисты применяют правило буравчика. Если «вкручивающее» движение воображаемого буравчика параллельно направлению тока в цепи, то "рукоятка" буравчика показывает, как будут располагаться силовые линии магнитного поля.

Примеры на определение напряженности магнитного поля

Пример 1. Имеется катушка с количеством витков 100 и имеющая длину 10 см. Необходимо обеспечить заданное значение напряженности магнитного поля в 5000А/м. Какой силы ток должен протекать по катушке?

Решение: согласно определению, намагничивающая сила катушки равна Н = I×ω/ L. А произведение Н×I дает намагничивающую силу. Отсюда можно вывести значение силы тока, которое равно: 5000А/м*0,1м = сила тока * количество витков. Решая простую пропорцию, получаем, что сила тока в данной задаче должна быть равна 5А.

Пример 2. В катушке 2000 витков, через нее протекает ток силой в 5 Ампер. Чему равна намагничивающаяся сила катушки?

Решение: простая формула дает ответ: н.с.= I×ω. Таким образом н.с = 2000×5 = 10000 ампер-витков.

Пример 3.

Как определить напряженность магнитного поля прямого электрического провода на расстоянии 5 см? Сила тока, текущего через провод, равна 30 А.

В этом примере нам также пригодится формула

В случае прямого провода количество витков катушки будет равно 1, а длина l = 2∙π∙r.

Отсюда можно вывести, что

Н = 30/(2*3,14*0,02) = 238,85 А/м.

Эти и подобные задачи легко можно решить при помощи базового курса школьной физики. Решение таких несложных примеров поможет понять качественную суть электромагнитных процессов в окружающей нас природе.

Применительно к нашему эксперименту сущность его такова: катушка 1 (рис. 24), подключенная к источнику постоянного напряжения, расположена вблизи катушки 2, подключенной к измерительному прибору. При замыкании или размыкании ключа К резко меняется создаваемое протекающим по катушке 1 током магнитное поле, вследствие чего в катушке 2 по закону электромагнитной индукции возникает индукционный ток, регистрируемый прибором; по показаниям последнего можно оценить параметры магнитного поля.

В качестве измерительного прибора используется баллистический гальванометр, у которого подвижная часть обладает значительным моментом инерции, вследствие чего угол отклонения (отброс) подвижной части прибора оказывается пропорциональным прошедшему через нее заряду q :

a = С× q . (18)

Коэффициент пропорциональности С называется баллистической постоянной гальванометра.

При замыкании ключа и прекращении тока через катушку 1 в катушке 2 возникает ЭДС индукции и ток с мгновенным значением , где R – сопротивление измерительной цепи. Через катушку 2 и соединенный с ней последовательно гальванометр пройдет заряд

, (19)

где Ф – начальное значение магнитного потока через катушку 2.

Из (18) и (19) следует, что

Таким образом, показания гальванометра определяются изменением магнитного потока через измерительную катушку.

Экспериментальная часть

Для определения баллистической постоянной гальванометра используется калибровочный соленоид. Соленоидом называют катушку, у которой длина намного больше диаметра (зачастую соленоидом называют всякую катушку). Внутри соленоида напряженность магнитного поля постоянна по всему сечению и равна

,

где l 1 – его длина, N 1 – число витков в обмотке соленоида, I – сила тока в обмотке. Датчик (измерительная катушка) с числом витков N 2 намотана на каркас, плотно одевающийся на соленоид (рис. 25), поэтому его сечение можно принять равным сечению соленоида S 1 . Поток через один виток датчика Ф 0 = В× S 1 , а В = m 0 ×m×Н сол. Поток через все витки датчика .

Подставляя в (20) и преобразуя, получим:

. (21)

Все величины в этом выражении определяются опытным путем.

Напряженность поля катушки измеряется с помощью датчика с N 3 витками, способного передвигаться по деревянному стержню вдоль оси исследуемой катушки. Датчик имеет достаточно малое сечение, так что напряженность поля во всех точках сечения можно считать одинаковой. Магнитный поток через датчик

Ф = В × S 3 × N 3 ,

где В = m 0 × m × Н кат – индукция поля исследуемой катушки на ее оси.

При включении этого потока отброс гальванометра a, согласно (20), будет

,

где R 2 – сопротивление измерительной цепи с датчиком катушки.

Тогда, измеряя a, получим:

. (22)

Пересчетный коэффициент k на основании (21) и (22) получится:

. (23)

Порядок выполнения работы

Задание 1 . Определение пересчетного коэффициента.

Оборудование: выпрямитель ВС-24; реостат до 100 Ом, 1 А; амперметр до 1 А; баллистический гальванометр; калибровочный соленоид с датчиком; 2 ключа.

1. Собрать цепь на рис. 26. Напряжение на соленоид С подается от выпрямителя через реостат R , которым осуществляется точная регулировка тока. Датчик Д следует установить на середине соленоида. С помощью регулятора на выпрямителе и реостата подобрать рабочий ток соленоида (0,2–0,5 А), чтобы при размыкании ключа К 1 отброс «зайчика» был значительным, но в пределах шкалы. Ключ К 2 служит для гашения колебаний подвижной части прибора. При его замыкании в измерительной цепи возникает индукционный ток, тормозящий подвижную часть.

Рис. 26

2. Подобрав рабочий ток I 1 , измерить отброс гальванометра a 1 при одном или нескольких значениях I 1 – всего не менее 5 измерений.

Примечание. Сечение датчиков (S 1 и S 3) определяют по измерениям их диаметров. Длина соленоида l 1 также измеряется непосредственно. R 1 и R 2 складываются из сопротивления гальванометра и соответствующего датчика.

3. Все величины подставляют в формулу (23), вычисляют значения k для отдельных измерений и затем усредняют.

Задание 2 . Измерение напряженности на оси катушки.

1. Использовать ту же схему на рис. 26, но вместо калибровочного соленоида включить исследуемую катушку с ее датчиком. Перед началом измерений датчик следует установить в середине катушки и подобрать рабочий ток, причем рабочий ток должен оставаться неизменным в ходе всего опыта.

2. Установить датчик возле одного из концов катушки и произвести измерения Н кат как функции расстояния х датчика от этого конца. Расстояние x менять с шагом 3 см, пока датчик не переместится к другому концу катушки.

3. Измерения отброса для каждого положения датчика производится по 3 раза во избежание промахов. Результаты измерений занести в табл. 8.

Таблица 8

x , см	α, мм	α ср, мм	Н кат

4. Для каждого положения датчика значения отбросов усреднить и использовать для вычисления Н кат по формуле (22) с использованием пересчетного коэффициента, полученного в предыдущем задании. Результаты вычисления Н кат внести в таблицу.

5. По результатам расчетов построить кривую Н (х ).

Контрольные вопросы и задания

1. Какие величины используют для описания магнитного поля?

2. Дайте определение магнитного потока через произвольный контур. Как определяется магнитный поток через катушку?

3. Запишите формулы, определяющие магнитное поле катушки (соленоида).

4. В чем заключается суть явления электромагнитной индукции?

5. Запишите закон электромагнитной индукции.

6. Объясните полученную кривую Н (х ).

7. Определите число витков в исследуемой катушке, измерьте ее длину и диаметр. Используя эти данные, вычислите по теоретической формуле напряженность поля в центре катушки и сравните с экспериментальным значением.

8. Объясните, для чего необходимо использовать калибровочную катушку.

Лабораторная работа 7(9)

ИЗМЕРЕНИЕ ИНДУКТИВНОСТИ

Цель работы: ознакомиться с методом измерения индуктивности катушки по ее полному сопротивлению.

Теоретическая часть

Всякий проводник с током создает в окружающем пространстве магнитное поле. Одной из характеристик этого поля является магнитный поток Ф, величина которого Ф = L × I , где коэффициент L называется индуктивностью (коэффициентом самоиндукции) проводника и определяется его конфигурацией и магнитными свойствами окружающей среды. Индуктивность оказывается значительной только у катушек, почему они и используются для усиления магнитного потока.

где w и n – циклическая и линейная частота тока. Полное сопротивление катушки

. (26)

Из выражений (24)–(26) получаем

. (27)

Таким образом, для определения индуктивности катушки достаточно знать ее омическое сопротивление, а также измерить силу тока I в ней при подаче на нее переменного напряжения U и частоты n.

Экспериментальная часть

Для осуществления этой идеи предназначена схема на рис. 28. В ней имеется переключатель П, с помощью которого катушку L можно включать или в схему мостика Уитстона (правая часть схемы), или в цепь переменного тока (левая часть).

Рис. 28

При включении в мостовую схему (переключатель П в положении 2) определяется омическое сопротивление катушки. Подробная теория мостика Уитстона приведена в . Здесь же достаточно знать, что сопротивление катушки определяется по формуле

где R – сопротивление магазина; l АС и l СВ – длины плеч реохорда, если гальванометр установился на нуле при замкнутом ключе К.

В положении 1 переключателя П катушка включается в цепь источника переменного тока и по измерениям напряжения на ней и силы тока в ней определяется полное сопротивление катушки. После чего по формуле (27) определяется индуктивность катушки.

Порядок выполнения работы

Задание 1 . Измерение индуктивности одной катушки.

Оборудование: источник переменного тока до 100 В; двойной переключатель; амперметр до 1 А; вольтметр до 100 В; гальванометр; магазин сопротивлений; источник постоянного тока (батарейка, аккумулятор или выпрямитель); три однополюсных ключа; реохорд; катушка.

1. Собрать схему на рис. 28 и произвести вышеописанные измерения. Измерения полного сопротивления провести при трех различных значениях напряжения. Измерения омического сопротивления провести при трех различных соотношениях плеч реохорда. При этом установка гальванометра на нуль достигается подбором сопротивления магазина. Результаты измерений занести в табл. 9.

Таблица 9

Примечание. Вблизи катушки не должно находиться предметов из ферромагнитных материалов.

Используя формулы (24), (27) и (28), вычислить сопротивление катушки R L , ее полное сопротивление и индуктивность L . Следует помнить, что R в формуле (28) и табл. 9 – сопротивление магазина, а в формулу (27) надо подставлять омическое сопротивление катушки R L . Результаты расчетов внести в табл. 10.

Таблица 10

Катушка	R , Ом	Z , Ом	L , Гн	L средн, Гн

Задание 2. Измерение индуктивности второй катушки.

Выполняется так же, как с первой катушкой. Результаты измерений занести в табл. 9 и 10.

Задание 3. Измерение взаимной индуктивности катушек.

Индуктивность системы из двух катушек

L = L 1 + L 2 ± 2M , (29)

где L 1 и L 2 – индуктивность самих катушек, М – взаимная индуктивность. Знак М зависит от взаимного направления магнитных полей катушек.

1. Катушки поставить одна на другую, вставить деревянный сердечник, соединить их последовательно.

2. Включить катушки в цепь переменного тока и измерить силу тока в них при трех значениях подаваемого напряжения. Результаты измерения занести в табл. 11.

Таблица 11

3. Вычислить по формуле (27) индуктивность системы из двух катушек, учитывая, что омическое сопротивление системы является суммой омических сопротивлений катушек. Взаимную индуктивность определить, исходя из (29).