Магнитные цепи. Основные понятия о магнитных цепях. Исследование магнитных цепей

5 МАГНИТНЫЕ ЦЕПИ

5.1 Основные понятия о магнитных цепях

В природе существует единое электромагнитное поле, однако, говоря о магнитном поле, мы иногда исключаем из рассмотрения существующее электрическое поле, которое всегда имеется, хотя и может быть очень слабым. Магнитное поле определим как одну из двух сторон электромагнитного поля, характеризующуюся воздействием на движущиеся заряженные частицы, магниты, проводники с током и другими явлениями.

Рассмотрим магнитное поле постоянного магнита. Северным называется магнитный полюс, который обращается к северному земному полюсу. Графически магнитное поле изображается линиями действия магнитных сил, представление о которых, например, дает распределение стальных опилок вдоль линий определенной конфигураций на листе картона, положенном на магнит, или с помощью магнитной стрелки (рисунок 5.1).

Магнитной цепью называется контур, по которому замыкается магнитный поток и который включает в себя источник магнитодвижущей силы (МДС) и ферромагнитные или иные тела, в которые могут содержать воздушные зазоры.

Важнейшей величиной, характеризующей магнитное поле, является магнитная индукция, обычно обозначаемая буквой В. Магнитная индукция В – это интенсивность магнитного поля в данной точке пространства, характеризующая магнитное поле и определяющая силу, действующую на движущуюся заряженную частицу. Магнитную индукцию можно также определить как отношение элементарного магнитного потока dФ, пронизывающего в перпендикулярном направлении элементарную площадку ds, к размеру этой площадки: В = dФ / ds.

Магнитная индукция является векторной величиной, векторы которой направлены по касательным к линиям поля. За направление вектора магнитной индукции принимается направление, показываемое северным полюсом магнитной стрелки, помещённой в данную точку поля. Значение магнитной индукции в некотором масштабе равно числу линий магнитного поля, приходящихся на единицу площади перпендикулярной им поверхности. Единицей измерения магнитной индукции служит тесла (Тл).

устройствВторой величиной , характеризующей магнитное поле , является магнитный поток, обозначаемый буквой Ф. Магнитный поток Ф или поток вектора магнитной индукции через данную поверхность s определяется числом линий, пронизывающих эту поверхность. Величину магнитного потока, пронизывающего площадку сечением s, расположенную перпендикулярно к магнитным силовым линиям , можно определить из выражения: Ф = В s. Единицей измерения магнитного потока является вебер (Вб).

В природе нет однополярных магнитов, так как при последовательном разделении любого магнита на любое число малых магнитов всегда будем получать двуполярные магниты. Поэтому следует считать, что линии вектора магнитной индукции, идущие во внешнем пространстве от северного к южному полюсу, проходят внутри магнита от южного к северному полюсу, не прерываясь и не имея начал и концов (рисунок 5.1). Следовательно, в любую замкнутую поверхность входит столько же линий, сколько из нее выходит. Математически принцип непрерывности линий вектора магнитной индукции выражается так:  

Закон электромагнитной индукциибыл открыт экспериментально М. Фарадеем в 1831 г. Результаты опытов Фарадея были математически обработаны Д. К. Максвеллом в «Трактате об электричестве и магнетизме» (1873 г.). Теория электромагнитного поля была экспериментально подтверждена работами Г. Р. Герца (1886 – 1889 гг.), П. Н. Лебедева (1895 г.) и изобретением радио А. С. Поповым (1895 г.).

Рассмотрим опыт, когда петля из провода, концы которой присоединены к баллистическому гальванометру G, из положения 1 вне поля вводится в магнитное поле – положение 2; в этом положении поверхность, ограниченную петлей, пронизывают две линии (рисунок 5.2). Заметим, что подвижная система гальванометра повернется на некоторый угол. Это отклонение будет пропорционально электрическому заряду ΔQ, прошедшему в цепи за время перемещения петли. Условимся считать положительным направление нормали к поверхности петли, совпадающее с направлением магнитных линий и соответствующее вращению правого винта, движущегося поступательно в положительном направлении нормали. Тогда направление тока в петле будет противоположным положительному направлению обхода, т. е. отрицательным – против вращения винта.

Из опытов М. Фарадея следует, что электрический задяд ΔQ, прошедший в цепи, равен изменению магнитного потока ΔФ (для рисунка 5.2                ΔФ = 2), пронизывающего петлю, деленному на сопротивление r петли и гальванометра: ΔQ = – ΔФ/r. В дифференциальной форме dQ = I dt, где I – ток в цепи; I r = е – ЭДС, индуктированная в цепи. Следовательно, ЭДС

                      (5.1)

где dФ – элементарное изменение магнитного потока.

Это – выражение закона электромагнитной индукции в формулировке