Магнитное поле соленоида Элементы теории ферромагнетизма. Явление самоиндукции. Индуктивность проводников Резонансные явления в колебательном контуре Основы классической теории электропроводности металлов

Физика курс лекций Теория электромагнитного поля

Примером устройства с аксиально-симметричным полем является электронная линза. Она представляет собой два соосных цилиндра разных радиусов, к которым приложен напряжение. В поле линзы происходит фокусировка электронного потока. Преломляющими поверхностями являются поверхности равного потенциала.

Магнитное поле соленоида

Соленоид представляет собой тонкий провод, навитый плотно (виток к витку) на цилиндрический каркас. На рис. 21 представлено схематическое изображение бесконечно длинного соленоида диаметром D. Будем считать, что намотка выполнена плотно, соседние витки прилегают друг к другу и по соленоиду течет ток силой I. Второе уравнение Максвела С учетом введенного понятия о токе смещения Максвелл обобщил теорему о циркуляции

Выясним, как направлен вектор  в различных точках магнитного поля соленоида. Для этого рассмотрим два любых элемента тока  и , равных по величине и расположенных симметрично относительно плоскости сечения АА, перпендикулярной к оси соленоида (рис. 22). Элементы  и  перпендикулярны плоскости рисунка.

По закону Био–Савара–Лапласа рассматриваемые элементы тока создадут в каждой точке сечения АА магнитные поля, индукции которых  и  равны по величине, а их результирующий вектор  параллелен оси соленоида.

Этот вывод справедлив для любой пары одинаковых элементов тока соленоида, расположенных симметрично относительно плоскости сечения АА. Из принципа суперпозиции следует, что линии индукции магнитного поля бесконечно длинного соленоида, если оно отлично от нуля, должны быть параллельны оси соленоида как внутри, так и вне соленоида.

Теперь докажем, что в точках, находящихся на расстоянии, много большем диаметра соленоида с плотной намоткой витков, магнитное поле равно нулю. Для этого рассмотрим два равных по модулю элемента тока  и , расположенных симметрично относительно оси соленоида (рис. 23). Одномерный потенциальный порог и барьер Движение частицы в области потенциального порога

В точках, достаточно удаленных от соленоида, для которых , по закону Био–Савара–Лапласа магнитные индукции  и  будут равны и противоположны по направлению с хорошей степенью точности. Этот вывод справедлив для любой пары одинаковых элементов тока соленоида, расположенных симметрично относительно оси соленоида. Из принципа суперпозиции следует, что в достаточно удаленных от соленоида точках магнитное поле отсутствует.

Для вычисления величины индукции магнитного поля соленоида применим теорему о циркуляции вектора   по замкнутому контуру. Выберем контур прямоугольной формы, две стороны которого параллельны, а другие две стороны перпендикулярны оси соленоида (рис. 24, а, б).

Пусть участок контура  находится от соленоида на расстоянии, много большем его диаметра, а участок , параллельный оси соленоида, расположен в первом случае внутри соленоида (рис. 24, а) и во втором случае вне соленоида (рис. 24, б).

Циркуляция вектора  на контуре 1–2–3–4 равна сумме линейных интегралов:

.

Из соображений симметрии и так как линии магнитной индукции должны быть параллельны оси соленоида, как было показано выше,  во всех точках участка . На участках контура  и   перпендикулярен элементарному перемещению. Следовательно,  во всех точках участков  и . Точки участка  находятся на расстоянии, много большем диаметра соленоида, и в них, как отмечалось ранее, можно считать  с хорошей степенью точности.

Таким образом,

, (1.17)

где  – длина участка .

Согласно теореме о циркуляции в случае, когда контур охватывает ток (рис. 24, а),

, (1.18)

где n – плотность намотки (число витков на единицу длины соленоида),
а n – число витков на длине . Если контур не охватывает ток (рис. 24, б), то

. (1.19)

Из сравнения (1.17) с (1.18) и (1.19) следует, что магнитное поле внутри бесконечно длинного соленоида однородно. Магнитная индукция поля равна

. (1.20)

Поле вне соленоида отсутствует.

 

Магнитное поле тороида

Тороид – устройство, выполненное в виде провода, намотанного плотно виток к витку на каркас, имеющий форму тора (рис. 25). Окружность радиуса R, проходящая через центры витков, называется осью тороида. Пусть I – сила тока, текущего по виткам тороида. Из симметрии рассматриваемого поля следует, что линии магнитной индукции представляют собой окружности с центрами на оси, проходящей через точку О перпендикулярно плоскости рис. 25. Возьмем одну из таких окружностей радиуса r в качестве замкнутого контура и применим теорему о циркуляции . Так как в каждой точке рассматриваемой окружности величина B должна быть одинакова,

. (1.21)

Если контур проходит внутри тороида, то он охватывает ток , где N – число витков тороида. По теореме о циркуляции

,

откуда получаем

. (1.22)

Контур, проходящий вне тороида, не охватывает ток, поэтому для него . Следовательно, вне тороида магнитная индукция равна нулю.

Для тороида, радиус витка которого много меньше расстояния r от внутренних точек тороида до точки О оси (рис. 25), можно ввести понятие плотности намотки тороида n:

.

Тогда (1.22) примет вид

. (1.23)

Так как в этом случае  мало отличается от единицы, то из (1.23) получается формула, совпадающая с формулой (1.20) для бесконечно длинного соленоида, т. е. величину B можно считать одинаковой во всех точках внутри тороида.

Взаимодействие токов. Магнитная индукция Электрические токи взаимодействуют между собой. Как показывает опыт, два прямолинейных параллельных проводника, по которым текут токи, притягиваются, если токи в них имеют одинаковое направление, и отталкиваются, если токи противоположны по направлению

Закон Био–Савара–Лапласа. Принцип суперпозиции в магнетизме Био и Савар провели в 1820 г. исследование магнитных полей токов различной формы. Они установили, что магнитная индукция во всех случаях пропорциональна силе тока, создающего магнитное поле. Лаплас проанализировал экспериментальные данные, полученные Био и Саваром, и нашел, что магнитное поле тока I любой конфигурации может быть вычислено как векторная сумма (суперпозиция) полей, создаваемых отдельными элементарными участками тока.

Применение закона Био–Савара–Лапласа. Магнитное поле кругового тока Рассмотрим проводник в форме окружности радиуса R, по которому протекает ток I (рис. 11). Разобьем круговой ток на элементы тока , каждый из которых создает в центре кругового тока (точка О) магнитное поле .

Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции (закон полного тока) Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции в вакууме: циркуляция вектора магнитной индукции  по произвольному замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром, умноженной на .

Контур с током в неоднородном магнитном поле Рассмотрим плоский контур с током в неоднородном магнитном поле. Пусть (для простоты) контур имеет форму окружности. Предположим также, что магнитная индукция увеличивается в положительном направлении оси х, совпадающем с направлением вектора магнитной индукции . Сила Ампера , действующая на элемент контура , перпендикулярна к вектору. Так что силы, приложенные к различным элементам контура, образуют симметричный конический «веер»

Сила Лоренца На частицу с зарядом q, движущуюся со скоростью  в магнитном поле, индукция которого равна действует сила  

Эффект Холла Пусть по проводнику прямоугольного поперечного сечения (b – ширина, а – толщина образца) течет постоянный электрический ток, I – сила тока. Если образец поместить в однородное магнитное поле, перпендикулярное двум его граням, то между двумя другими гранями возникает разность потенциалов.

Прямоугольный контур с током в однородном магнитном поле Рассмотрим прямоугольную плоскую рамку с током, помещенную в однородное магнитное поле

Электромагнитное экранирование. Цель работы: исследование экранирующего действия проводящих коротких тонкостенных цилиндров и прямоугольных пластин в переменном электромагнитном поле. Основные теоретические положения. Экранирование электромагнитного поля открытыми проводниками
домина престиж отзывы
Резонанс напряжений и резонанс токов