Что такое индукция и напряженность магнитного поля
Содержание
Магнитные явления известны человеку ещё со времён античности, а с развитием электродинамики в среде, окружающей человека, стало ещё больше магнетизма. Основными понятиями в данной сфере являются индукция и напряжённость магнитного поля.
Краткая история открытия
Впервые с достаточной степенью четкости о магнитных полях и слагающих их частях задумался Майкл Фарадей в своих основополагающих для теории электромагнетизма трудах, созданных в середине 19-го века. Ученый понял, что электромагнитное поле имеет так называемые «силовые линии», концепцию которых британец вывел в результате экспериментов. Хотя Фарадей и представлял, что именно работает в его опытах с электрическим и магнитным полями, он не облек свои умозаключения в строгую математическую форму, которая была бы приемлема для практического использования.
После Фарадея это сделал Джеймс Клерк Максвелл. В его работах, что заложили основу уравнений, описавших классическую электродинамику, впервые появилось четкое определение вектора магнитной индукции и напряжённости магнитного поля. Позже ещё один англичанин, Оливер Хэвисайд несколько переработал выведенные выражения законов и привёл их к современному виду.
Что понимают под магнитной индукцией
Магнитная индукция — это отдельная физическая величина (не стоит путать ее с понятием электромагнитной индукции), которая характеризует силу магнитного поля, как оно воздействует на подвижные носители заряда и тела, наделённые магнитным моментом. По важности она аналогична напряженности электрического поля.
Магнитная индукция обозначается символом B. Единица ее измерения в системе СИ названа в честь Николы Теслы.
Чтобы отыскать значение индукции магнитного поля, в общем случае решают теорему о циркуляции такого поля.
Понятие ротора было введено Хэвисайдом в порядке упрощения, поскольку Максвелл считал «в лоб», суммируя компоненты вектора B по координатным осям. Уравнений выходило довольно много, а считать сумму таких компонентов в вихре непросто для понимания. Ротор — это, грубо говоря, готовая сумма всех компонентов в магнитном вихре.
Несложно заметить, что первая половина правой части уравнения являет собой фактически закон Ампера. Вторая половина описывает случай с переменным током или током смещения.
Решение уравнения Максвелла для каждой конкретной задачи — занятие весьма трудное, поручаемое ныне компьютеру. Однако существуют более простые случаи. Например, можно воспользоваться основным законом электродинамики — законом Био-Савара-Лапласа, чтобы получить элементарный вектор магнитной индукции.
Найденное по данной закономерности значение B можно проинтегрировать для интересующего объема, чтобы получить общую характеристику поля в нем. Частные решения для прямого бесконечного проводника (1), витка тока (2), соленоида (3) соответственно приведены ниже.
В формуле для соленоида N выражает количество витков катушки, а строчная L — длину соленоида.
Иногда можно воспользоваться общими формулами, рассчитав индукцию через силу Лоренца (1) или Ампера (2):
Следует помнить, что наивысшего значения сила достигает при sina = 1, то есть, когда прямой проводник или линия полета заряда сонаправлены с вектором B. Последний направлен по касательной к силовой линии магнитного поля. Чтобы определить направление вектора В, следует применить правило правой руки.
Что называют напряженностью магнитного поля
Напряженность магнитного поля показывает связь между магнитной индукцией и магнитной проницаемостью той или иной среды. Проще говоря, эта величина характеризует влияние поля определенной силы на ту или иную среду, отличную от вакуума. Обозначается напряженность символом H, единица ее измерения — ампер на метр (А/м).
Для расчета напряженности используется довольно простая формула, выражающая зависимость индукции от напряженности магнитного поля:
В формуле µ означает магнитную проницаемость (во сколько раз поле в веществе слабее поля в вакууме). Из этого выражения легко находится индукция:
Следовательно, магнитная индукция связана, как и напряженность магнитного поля, с магнитной проницаемостью среды. В вакууме напряженность совпадает с индукцией. Векторы Н и В также связаны по направлению, которое определяется с помощью уже описанного выше правила правой руки (направление напряжённости всегда идентично индукции).
Между переменным электрическим полем и магнитным существует четкая взаимосвязь, выражаемая соотношением:
В данном уравнении интеграл EdL означает циркуляцию вектора напряжённости в замкнутом контуре L. Выражение dBdS эквивалентно выражению для магнитного потока dФ, протекающего через определенную площадь замкнутого контура. Подобная подстановка даёт стандартное выражение закона электромагнитной индукции Фарадея, часто применяемое на практике.
Практическое применение
Такой всеобъемлющий феномен, как магнитная индукция, находит применение во всех сферах жизни человека. Ее влияние наблюдается везде, где используются электромагниты. Широкий спектр инновационных промышленных технологий стал возможен после создания генератора, принцип работы которого основывается на электромагнитной индукции.
Изменяющиеся магнитные поля используются в трансформаторах для изменения величины напряжения. Радиоволны, служащие основой всех современных устройств связи и многих локаторов, это тоже продукт взаимодействия электрических и магнитных полей.
Загрузка...
