Вихревой характер магнитного поля

1.3. Вихревой характер магнитного поля.

 

Линии магнитной индукции непрерывны: они не имеют ни начала, ни конца. Это имеет место для любого магнитного поля, вызванного какими угодно контурами с током. Векторные поля, обладающие непрерывными линиями, получили название вихревых полей. Мы видим, что магнитное поле есть вихревое поле. В этом заключается существенное отличие магнитного поля от электростатического.

1.4. Магнитное поле токов.

 

Рассмотрим линии индукции поля прямого тока. Напряжённость Н (а следовательно, и В) всегда перпендикулярна к плоскости, содержащей проводник и рассматриваемую точку поля. Поэтому линии индукции в данном случаи суть концентрические окружности, центр которых расположен на оси тока.

Представление о виде линии индукции можно получить на опыте. Для этого пользуются тем обстоятельством, что подвижная магнитная стрелка всегда устанавливается своей осью в направлении линий магнитного поля, т.е. линий индукции.

Ещё удобнее пользоваться железными опилками. Крупинки железа в магнитном поле намагничиваются и становятся подобными магнитным стрелкам. При практическом осуществлении этих опытов исследуемый провод с током пропускают сквозь горизонтальную стеклянную пластину (или листок картона), на которую насыпают небольшое количество железных опилок. При лёгком встряхивании пластинки (постукивании) частицы опилок образуют цепочки, форма которых близко соответствует линиям исследуемого магнитного поля.

Магнитное поле кругового тока представляет из себя замкнутые непрерывные линии следующего вида:

Для магнитного поля, как и для электрического поля, справедлив принцип суперпозиции:

поле В, порождаемое несколькими движущимися зарядами (токами), равно векторной сумме полей B_I, порождаемых каждым зарядом (током) в отдельности:

,

т.е., чтобы найти силу, действующую на точку в пространстве, нужно сложить силы, действующие на неё, как показано на рисунке.

Магнитное поле кругового тока представляет собой некую восьмёрку с разделением колец в центре кольца, по которому течёт ток. Его схема показана на рисунке ниже:

1.5.     Сравнение электрического и магнитного полей.

 

II. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ.

Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит. Человечество начало ис­пользовать магнитное поле Земли давно. Уже в начале XII—XIII вв. получает широкое распространение в мореходстве компас. Однако в те времена считалось, что стрелку компаса ориентирует Полярная звезда и её магнетизм. Предположение о существовании магнитного поля Земли впервые высказал в 1600 г. английский естествоиспытатель Гильберт.

В любой точке пространства, окружающего Землю, и на её поверхности об­наруживается действие магнитных сил. Иными словами, в пространстве, окру­жающем Землю, создаётся магнитное поле, силовые линии которого изобра­жены на рис.1.

Магнитные и географические полюса Земли не совпадают друг с другом. Се­верный маг­нитный полюс N лежит в южном полушарии, вблизи берегов Ан­тарктиды, а южный магнитный полюс S находится в Северном полушарии, вблизи северного берега острова Виктория (Канада). Оба полюса непрерывно перемещаются (дрейфуют) на земной поверхности со скоростью около 5 за год из-за переменности порождающих магнитное поле процессов. Кроме того, ось магнитного поля не проходит через центр Земли, а отстаёт от него на 430 км. Магнитное поле Земли не симметрично. Благодаря тому, что ось магнитного поля проходит всего под углом в 11,5 градусов к оси вращения планеты, мы можем пользоваться компасом.

Основная часть магнитного поля Земли, по современным воззрениям, имеет внутриземное происхождение. Магнитное поле Земли создаётся её ядром. Внешнее ядро Земли жидкое и металлическое. Металл – проводящее ток вещество, и если бы существовали в жидком ядре постоянные течения, то соответствующий электрический ток создавал бы магнитное поле. Благодаря вращению Земли, такие течения в ядре существуют, т.к. Земля в некотором приближении является магнитным диполем, т.е. своеобразным магнитом с двумя полюсами: южным и северным.

Незначительная часть магнитного поля (около 1%) имеет внеземное проис­хождение. Возникновение этой части приписывают электрическим токам, те­кущим в проводящих слоях ионосферы и поверхности Земли. Эта часть магнитного поля Земли подвержена слабому изменению со време­нем, которое называется вековой вариацией. Причины существования электрических токов в вековой вариации неизвестны.

В идеальном и гипотетическом предположении, в котором Земля была бы одинока в космическом пространстве, силовые линии магнитного поля планеты располагались таким же образом, как и силовые линии обычного магнита из школьного учебника физики, т.е. в виде симметричных дуг, протянувшихся от южного полюса к северному. Плотность линий (напряжённость магнитного поля) падала бы с удалением от планеты. На деле, магнитное поле Земли находится во взаимодействии с магнитными полями Солнца, планет и потоков заряженных частиц, испускаемых в изобилии Солнцем. Если влиянием самого Солнца и тем более планет из-за удалённости можно пренебречь, то с потоками частиц, иначе – солнечным ветром, так не поступишь. Солнечный ветер представляет собой потоки мчащихся со скоростью около 500 км/с частиц, испускаемых солнечной атмосферой. В моменты солнечных вспышек, а также в периоды образования на Солнце группы больших пятен, резко возрастает число свободных электронов, которые бомбардируют атмосферу Земли. Это приводит к возмущению токов текущих в ионосфере Земли и, благодаря этому, происходит изменение магнитного поля Земли. Возникают магнитные бури. Такие потоки порождают сильное магнитное поле, которое и взаимодействует с полем Земли, сильно деформируя его. Благодаря своему магнитному полю, Земля удерживает в так называемых радиационных поясах захваченные частицы солнечного ветра, не позволяя им проходить в атмосферу Земли и тем более к поверхности. Частицы солнечного ветра были бы очень вредны для всего живого. При взаимодействии упоминавшихся полей образуется граница, по одну сторону которой находится возмущённое (подвергшееся изменениям из-за внешних влияний) магнитное поле частиц солнечного ветра, по другую – возмущённое поле Земли. Эту границу стоит рассматривать как предел околоземного пространства, границу магнитосферы и атмосферы. Вне этой границы преобладает влияние внешних магнитных полей. В направлении к Солнцу магнитосфера Земли сплюснута под натиском солнечного ветра и простирается всего до 10 радиусов планеты. В противоположном направлении имеет место вытянутость до 1000 радиусов Земли.

Основная часть магнитного поля Земли обнаруживает аномалии в различных районах земной поверхности. Эти аномалии, по-видимому, следует приписать присутствию в земной коре ферромагнитных масс или различию магнитных свойств горных пород. Поэтому изучение магнитных аномалий имеет практи­ческое значение при исследовании полезных ископаемых.

Существование магнитного поля в любой точке Земли можно установить с помощью магнитной стрелки. Если подвесить магнитную стрелку NS на нити l (рис.2) так, чтобы точка подвеса совпадала с центром тяжести стрелки, то стрелка установится по направлению касательной к силовой линии магнитного поля Земли.

В северном полушарии - южный конец будет наклонён к Земле и стрелка со­ставит с го­ризонтом угол наклонения Q (на магнитном экваторе наклонение Q равно нулю). Вертикальная плоскость, в которой расположится стрелка, назы­вается плоскостью магнитного меридиана. Все плоскости магнитных меридиа­нов пересекаются по прямой NS, а следы магнитных меридианов на земной по­верхности сходятся в магнитных полюсах N и S. Так как магнитные полюса не совпадают с географическими полюсами, то стрелка будет отклонена от гео­графического меридиана. Угол, который образует вертикальная плоскость, проходящая через стрелку (т.е. магнитный меридиан), с географическим мери­дианом, называется магнитным склонением a (рис. 2). Вектор  полей на­пряжёности магнитного поля Земли можно разложить на две составляющие: горизонтальную  и вертикальную  (рис. 3). Значение углов наклоне­ния и склонения, а также горизонтальной составляющей  дают возмож­ность определить величину и направление полной напряжённости магнитного поля Земли в данной точке. Если магнитная стрелка может свободно вращаться лишь вокруг вертикальной оси, то она будет устанавливаться под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли в плоскости магнитного меридиана. Горизонтальная составляющая , магнитное склонение a и на­клонение Q называются элементами земного магнетизма. Все элементы зем­ного магнетизма изменяются с течением времени.

III. ТАНГЕНС — ГАЛЬВАНОМЕТР.

Рассмотрим круговой проводник из n витков, прилегающих достаточно плотно друг к другу, расположенных вертикально в плоскости магнитного меридиана. В центре проводника поместим магнитную стрелку, вращающуюся вокруг вер­тикальной оси. Если по катушке пропустить ток I, то возникает магнитное поле с напряжённостью H, направленное перпендикулярно к плоскости катушки. Т.о., на стрелку будут действовать два взаимно перпендикулярных поля: маг­нитное поле Земли и магнитное поле тока. Напряжённости обеих полей вза­имно перпендикулярны. На рис. 4. изображено сечение катушки горизонталь­ной плоскостью. Здесь  – вектор напряжённости поля, созданного круговым током,  – горизонтальная составляющая магнитного поля Земли. Стрелка установится по направлению равнодействующей , т.е. по диагонали па­раллелограмма, сторонами которого будут вектор напряжённости магнитного поля кругового тока  и .Рассматривая рис.4 получим:

 ;

 с другой стороны. Напряжённость магнитного поля в центре катушки тангенс–гальванометра равна:

;

где r – радиус витка. Тогда:

откуда:

; где .

Для данного места Земли и для данного прибора величина

( I )

явля­ется постоянной тангенс – гальванометра, тогда:_

( 2 ).

Формулу ( 1 ) можно переписать в виде

( 3 ).

Таким образом, круговой проводник с магнитной стрелкой может быть использован для изме­рения силы тока, текущего по цепи. Прибор, основанный на вышеописанном принципе, носит название тангенс–гальванометра.

Тангенс–гальванометр, используемый в данной работе, состоит из катушки, в центре которой на вертикальной оси располагается магнитная стрелка. Стрелка может свободно вращаться внутри круглой коробки с прозрачной крышкой (компас). По контору дна коробки намечена круговая шкала, проградуирован­ная в угловых градусах.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ.

 

II.         Собрать электрическую цепь лабораторной установки по схеме. Источ­ником напряжения служит выпрямитель ВС–24 М.С. С помощью пере­ключателя К изменяют направление тока, текущего через тангенс–гальванометр tgq.

III.       Установить tgq так, чтобы плоскость витков катушки совпадала с плос­костью магнитного меридиана, т.е. чтобы магнитная стрелка расположи­лась в плоскости витков катушки, указывая при этом на С и Ю.

IV.        Регулятор напряжения R на панели выпрямителя вывести в крайнее ле­вое положение. Включить выпрямитель и поставить переключатель К в левое или правое положение. Регулятором напряжения R установить ток в цепи, указанный преподавателем (например: I=0,5A). Зафиксировать угол отклонения магнитной стрелки. Пе­рекинуть ключ К в противоположное положение и также зафиксировать угол отклонения стрелки. Это необходимо для плоскости нахождения среднеариф­метического значения угла отклонения магнитной стрелки, т.к. всегда имеется неточность в установлении витков tgq в плоскости магнитного меридиана.

V.        Выполнить пункт 3 при значениях тока, указанных преподавателем.

VI.       Результаты измерений занести в таблицу:

#	I	j1	j2	jср.	tgj	H0	H0ср	DHо	DH0ср
1.
2.
3.

Таблица 1.

При каждом значении тока определить горизонтальную составляющую маг­нитного поля Земли по формуле:

( 4 );

т.к. в системе СИ коэффициент пропорциональности К в формуле ( 2 ) равен .

VI.       Найти среднеарифметическое значение.

VII.     Вычислить погрешность вычисления  при каждом значении тока:

 ( 5 ),

и затем среднее значение .

VIII.    Записать окончательно результат работы в виде:

( 6 ).

Контрольные вопросы.

1.         Основные характеристики магнитного поля.

2.         Закон Био-Савара-Лапласа.

3.   Графическое изображение магнитных поле:

3.1.           магнитное поле прямого тока;

3.2.           магнитное поле кругового поля.

4.   Магнитное поле Земли: магнитное наклонение, горизонтальная составляющая поля, вертикальная составляющая поля.

5.   Вихревой характер магнитного поля.

6.   Принцип суперпозиций магнитных полей.

Литература.

 

Ø Калашников С.Г. "Электричество".

Ø Савельев И.В. "Курс общей физики", т.2.

Ø Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа,1989. Гл.22.

Ø Евграфова Н.Н., Каган В.Л. Руководство к лабораторным работам по физике. М.: Высшая школа, 1970. с.177.

Ø Кортнев А.В., Рублёв Ю.В., Куценко А.Н. Практикум по физике. М.: Высшая школа, 1965. с.331.