Как зависит напряженность магнитного поля от среды. Магнитное поле напряженность и индукция

Вектор напряжённости магнитного поля как вспомогательный вектор для описания поля в магнетиках

Когда мы рассматриваем магнитное поле в вакууме при отсутствии магнетиков, магнитное поле порождается токами проводимости и выполняется равенство:

где $\overrightarrow{j}$ -- вектор плотности токов проводимости.

В магнетиках поле возникает благодаря токам проводимости и молекулярным токам ($\overrightarrow{j_m}$), что необходимо учитывать. Для молекулярных токов имеет место векторное равенство:

где $\overrightarrow{j_m}$ -- объемная плотность молекулярных токов, $\overrightarrow{J\ }$ - вектор намагниченности. Так, при наличии магнетиков выражение (1) с учетом равенства (2) примет вид:

Выразим ток проводимости из уравнения (3), получим:

Определение вектора напряженности магнитного поля

Вектором напряженности магнитного поля называют вектор, равный:

Напряженность магнитного поля не является чисто полевой величиной, так как включает вектор $\overrightarrow{J\ },\ $который является характеристикой намагниченности среды. По своему значению $\overrightarrow{H}$ является вспомогательным вектором и играет роль подобную вектору электрического смещения $\overrightarrow{D\ }\ $в электричестве.

Основные уравнения для вектора напряженности

Из определения вектора $\overrightarrow{H}$ и уравнения (4), следует весьма удобное уравнение для вычисления поля в магнетиках:

Закон полного тока при наличии магнетиков имеет вид:

Формула (7) выражает теорему о циркуляции вектора напряженности магнитного поля, которая гласит:

Теорема

«Циркуляция вектора напряженности магнитного поля по некоторому контуру равна алгебраической сумме макроскопических токов, которые охвачены заданным контуром».

В вакууме $\overrightarrow{J\ }=0$, тогда:

\[\overrightarrow{H}=\frac{\overrightarrow{B}}{{\mu }_0}\left(8\right).\]

Напряженность поля прямолинейного бесконечного проводника в вакууме определяется формулой:

где $b$ -- расстояние от проводника до точки, где рассматривается поле. Из формулы (9) определяется размерность напряженности магнитного поля. Основная единица напряженности в системе СИ -- ампер деленный на метр ($\frac{А}{м}$).

Связь и вектора напряженности магнитного поля с намагниченностью и вектором магнитной индукции

Обычно вектор намагниченности ($\overrightarrow{J}$) связывают с вектором напряженности в каждой точке магнетика:

\[\overrightarrow{J}=\varkappa \overrightarrow{H}\left(10\right),\]

где $\varkappa $ -- магнитная восприимчивость, безразмерная величина. Для неферромагнитных веществ и в не больших полях $\varkappa $ не зависит от напряженности. В анизотропных средах $\varkappa $ является тензором и направления $\overrightarrow{J}$ и $\overrightarrow{H}$ не совпадают.

Помимо магнитной восприимчивости в магнетиках используют другую безразмерную физическую величину, которая характеризует магнитные свойства вещества -- это относительная магнитная проницаемость (или просто магнитная проницаемость ($\mu $)) вещества. Причем:

\[\mu =1+\varkappa \ \left(11\right).\]

Тогда между индукцией магнитного поля в магнетике и напряженностью магнитного поля существует следующая связь:

\[\overrightarrow{B}=\mu {\mu }_0\overrightarrow{H}\left(12\right).\]

Формула (12) показывает, что в изотропных средах векторы $\overrightarrow{B}$ и $\overrightarrow{H}$ имею одинаковое направление, однако по модулю напряженность поля в $\mu {\mu }_0$ раз меньше.

Пример 1

Задание: По оси бесконечного прямого круглого цилиндра радиуса R течет ток силы I. Магнитная проницаемость вещества цилиндра равна $\mu $. Вне цилиндра вакуум (${\mu }_v=1$). Найдите формулу для вычисления напряженности во всех точках пространства.

Пусть ток течет в направлении оси Z. Линиями напряженности такого цилиндра являются концентрические окружности с центрами, которые лежат на оси цилиндра.

В качестве контура интегрирования (L) возьмем окружность радиусом r, центр окружности лежит на оси цилиндра, плоскость окружности перпендикулярна току. По закону полного тока для напряженности магнитного поля имеем:

\[\oint\limits_L{\overrightarrow{H\ }\overrightarrow{dl}}=H_{\varphi }2\pi r=I\left(1.1\right).\]

Из (1.1) выразим напряженность поле, получим:

где $H_{\varphi }$ -- напряжённость магнитного поля, касательная к окружности. В таком случае индукция магнитного поля равна:

На границе цилиндра индукция магнитного поля терпит разрыв.

Ответ: $B_{\varphi }=\left\{ \begin{array}{c} \mu {\mu }_0H_{\varphi }=\mu {\mu }_0\frac{I}{2\pi r}\ (при\ 0\le r\le R) \\ {\mu }_0H_{\varphi }={\mu }_0\frac{I}{2\pi r}\left(при\ r\ge R\right). \end{array} \right.$.

Пример 2

Задание: Найдите намагниченность меди и магнитную индукцию поля, если удельная магнитная восприимчивость вещества ${\varkappa }_u=-1,1\cdot {10}^{-9}\frac{м^3}{кг}.$ Напряженность магнитного поля равна ${10}^6\frac{А}{м}$.

Магнитная восприимчивость ($\varkappa $) связана с удельной магнитной восприимчивостью (${\varkappa }_u$) соотношением:

\[\varkappa =\rho {\varkappa }_u\left(2.1\right),\]

где $\rho =8930\frac{кг}{м^3}$ -- массовая плотность меди.

Намагниченность имеет связь с напряженностью магнитного поля, которая имеет вид (считаем медь изотропной):

Индукция магнитного поля, также связана с напряженностью:

Так как все величины даны в СИ, проведем вычисления:

\ \

Ответ: $J=-9,823\frac{А}{м},\ B=1,26\ Тл.$

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).

Напряженность магнитного поля , то есть силу магнитного поля оценивают по густоте магнитных силовых линий в данной точке поля. Напряженность магнитного поля обоз­начают в формулах буквой Н . Напряженность магнитного поля показывает число силовых линий магнитного поля, проходящих через 1 см 2 поперечного сечения поля .

Магнитные силовые линии, пронизывающие какую-либо площадку, называются магнитным потоком через эту площадку. Магнитный поток через данную площадку будет, следова­тельно, тем больше, чем больше силовых линий проходит через нее. Магнитный поток обозначают буквой Ф .

Направление магнитных силовых линий связано с направ­лением тока в проводнике. Наиболее простым способом опре­деления направления магнитных силовых линий является использование правила буравчика (рисунок 1).

Рисунок 1. Определение направления магнитных силовых линий по правилу буравчика.

Правило буравчика состоит в следующем: если направ­ление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения буравчика совпа­дает с направлением магнитных силовых линий.

Интерактивная демонстрация правила буравчика. Нажать на выключатель!

Рисунок 2. Интерактивная демонстрация определения направления линий напряженности магнитного поля с помощью правила буравчика.

Для подачи тока нажмите на выключатель

Для изменения направления тока нажмите на источник напряжения

Придадим проводнику с током форму кольца (рисунок 2). Пользуясь правилом буравчика, мы легко установим, что маг­нитные силовые линии, создаваемые всеми участками провод­ника, имеют внутри кольца одинаковое направление. Значит, внутри кольца магнитное поле будет сильнее, чем снаружи.

Изготовим из проводника цилиндрическую спираль и про­пустим по ней электрический ток (рисунок 3). Ток по всем виткам будет проходить в одном и том же направлении. Это будет равносильно тому, что мы поместим ряд кольцевых проводни­ков на одну общую ось. Проводник, имеющий такую форму, называется соленоидом или катушкой .

Пользуясь правилом буравчика, мы легко установим, что магнитные силовые линии, создаваемые всеми витками ка­тушки, имеют внутри нее одинаковое направление. Значит, внутри катушки будет более сильное магнитное поле, чем внутри одного витка. Между соседними витками катушки маг­нитные силовые линии направлены навстречу друг другу, и по­этому магнитное поле в этих местах будет очень ослаблено. Снаружи же катушки направление всех магнитных силовых линий будет одинаковым.

Магнитное поле катушки тем сильнее, чем больше сила тока, проходящего по ее виткам, и чем теснее, т. е. ближе друг к другу, расположены витки. Из двух катушек с одина­ковым током и одинаковым числом витков более сильное поле имеет катушка, у которой витки расположены ближе друг к другу, т. е. катушка, имеющая меньшую осевую длину.

Произведение силы тока в амперах на число витков, носит название ампервитков и характеризует магнитное действие электрического тока, то есть магнитодвижущую силу .

Пользуясь этим термином, можно сказать, что магнитное поле катушки тем сильнее, чем больше ампервитков прихо­дится на единицу ее осевой длины.

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

Опыт показывает, что магнитное поле, создаваемое проводником с током в вакууме и в какой-либо среде, будет различным. Это объясняется тем, что в среде протекают свои микротоки, которые обусловлены движением электронов в атомах и молекулах. Эти микротоки создают свое магнитное поле. Вектор магнитной индукции характеризует результирующее поле, создаваемое всеми микро- и макротоками. При одном и том же токе в проводнике и прочих равных условиях величина вектора В в различных средах будет разной.

Для характеристики магнитного поля, создаваемого самим макротоком, вводится вспомогательный вектор напряженности магнитного поля, не зависящий от свойств среды. Между векторами индукции В и напряженности Н существует зависимость: В =  0 Н = В 0 .

(В гауссовой системе В = μН, в вакууме μ = 1 и В = Н).

 - относительная магнитная проницаемость среды, показывает, во сколько раз индукция магнитного поля в среде отличается от индукции в вакууме (В 0)

 0 = 410 -7 Н/м 2 (Гн/м) – магнитная постоянная.

Закон Био-Савара-Лапласа

Магнитное поле проводника с током зависит не только от величины тока, но и от формы контура с током. Так же как и в электростатике для поля распределенных зарядов, можно полагать, что результирующее поле Н проводника с током – это векторная сумма полей dH, созданных отдельными элементами тока. Только, в отличие от электростатики, измерить и изучить поле отдельного элемента тока невозможно, так как любой постоянный ток течет по замкнутому контуру.

Для линейных проводников, толщина которых мала по сравнению с расстоянием, на котором определяется напряженность магнитного поля, по закону Био-Савара-Лапласа напряженность магнитного поля, создаваемого элементом тока на расстоянии r от него, обратно пропорциональна квадрату расстояния и прямо пропорциональна величине элемента тока и синусу угла между направлением тока и направлением на точку, в которой определяется напряженность

к – коэффициент пропорциональности, зависит от выбора системы единиц, в системе СГС к = 1, в СИ к = .

Вектор dH перпендикулярен плоскости, проходящей через элемент тока и точку, в которой определяется напряженность. Направление его определяется по правилу буравчика (или правого винта): если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока, то рукоятка описывает окружности, касательные к которым совпадают с направлением напряженности (направлены по направлению движения рукоятки).

На рисунке показано сечение проводника, крестиком отмечено, что ток направлен от нас. Линии напряженности представляют собой концентрические окружности.

Полная напряженность магнитного поля, создаваемого проводником с током, равна геометрической сумме напряженностей, создаваемых всеми элементами тока, и определяется с помощью интегрирования.

Закон Био-Савара-Лапласа был установлен для постоянного тока в проводниках – тока проводимости. Справедливость этого закона была подтверждена и для других форм движения электрических зарядов (конвекционные токи, токи в вакууме). В случае распределенных по объему токов выражение для элемента тока можно записать idl = jdsdl =jdV.