Что называется напряженностью магнитного поля. Измерение напряженности магнитного поля

Для описания магнитного поля используются две его основные характеристики - индукция B → и напряженность H → . Эти величины связаны между собой. Рассмотрим, что такое напряженность магнитного поля, чему она равна, каков физический смысл этой величины.

Напряженность магнитного поля

Напряженность магнитного поля - векторная физическая величина, в общем случае равная разности векторов индукции магнитного поля B → и намагниченности P m → .

Напряженность обозначается буквой Н → . Единица измерения напряженности магнитного поля в системе СИ - ампер на метр (А м п е р м е т р).

Формула напряженности магнитного поля:

Н → = 1 μ 0 B → - P m → .

Здесь коэффициент μ 0 - магнитная постоянная. μ 0 = 1 , 25663706 Н А 2 .

Физический смысл напряженности магнитного поля

Индукция магнитного поля - силовая характеристика. Индукция определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд, движущийся в поле с определенной скоростью.

Напряженность поля характеризует густоту силовых линий (линий магнитной индукции).

Физический смысл напряженности магнитного поля

В вакууме или при отсутствии среды, способной к намагничиванию (например, в воздухе) напряженность магнитного поля совпадает с магнитной индукцией с точностью до коэффициента μ 0 .

В средах, способных к намагничиванию (магнетиках) напряженность несет смысл как бы "внешнего поля". Она совпадает с вектором магнитной индукции, который был бы, если бы магнетика не было.

Существует теорема о циркуляции магнитного поля. Это одна из основных теорем электродинамики, сформулированная Анри Ампером. Ее также иногда называют теоремой или законом Ампера. Теорема о циркуляции магнитного поля - своеобразный аналог теоремы Гаусса о циркуляции вектора напряженности электрического поля.

Теорема о циркуляции магнитного поля

Циркуляция вектора напряженности магнитного поля по замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов проводимости, охваченных контуром, по которому рассматривается циркуляция.

∮ H → d r → = ∑ I m

Пример

Определить циркуляцию вектора напряженности для замкнутого контура L .

I 1 = 5 A , I 2 = 2 A , I 3 = 10 A , I 4 = 1 A .

По теореме о циркуляции:

∮ H → d r → = ∑ I m

Рассматриваемый контур охватывает токи I 1 , I 2 , I 3 .

Подставим значения c учетом указанных на рисунке направлений токов и вычислим циркуляцию:

​​​​​ ∮ H → d r → = ∑ I m = 5 A 12 A + 10 A = 13 A .

Магнитное поле - вихревое поле, которое не является потенциальным. Циркуляция вектора напряженности в общем случае отлична от нуля.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Общие сведения

Напряжённость магнитного поля и магнитная индукция. Казалось бы, зачем было физикам усложнять и без того сложные физические понятия при описании явлений магнетизма? Два вектора, одинаково направленные, отличающиеся разве что коэффициентом пропорциональности - ну какой в этом смысл с точки зрения простого человека, не слишком обременённого знаниями из области современной физики?

Тем не менее, именно в этом различии скрываются нюансы, позволившие учёным открыть и удивительные свойства различных веществ, и законы их взаимодействия с магнитным полем, и даже изменить наши представления об окружающем мире.

В действительности за этой разницей скрывается различный методологический подход. Упрощенно говоря, в случае использования понятия напряжённости магнитного поля мы пренебрегаем влиянием магнитного поля на вещество в конкретном случае; в случае применения понятия магнитной индукции, мы учитываем этот фактор.

С технической точки зрения, напряжённость магнитного поля сколь угодно сложной конфигурации достаточно просто рассчитать, а результирующую магнитную индукцию - измерить.

За этой кажущейся простотой скрывается титанический труд целой плеяды учёных, разделённых во времени и пространстве. Их идеи и концепции определили и определяют развитие науки и техники в прошлом, настоящем и будущем.

И неважно, как скоро мы овладеем термоядерной энергией с помощью нового поколения термоядерных реакторов, основанных на удержании «горячей» плазмы магнитным полем. Когда отправим в космос новые поколения исследовательских роботов на ракетах, основанных на применении иных принципов, чем сжигание химического топлива. Или, в частности, решим задачу коррекции орбит микроспутников двигателями Холла. Или насколько полно сможем утилизировать энергию Солнца, как быстро и дёшево мы сможем передвигаться по нашей планете - имена первопроходцев науки навеки останутся в нашей памяти.

Уже современному поколению учёных и инженеров двадцать первого века, вооружённому накопленными знаниями своих предшественников, покорится задача магнитной левитации, пока апробированная в лабораториях и пилотных проектах; и проблема извлечения энергии из окружающей среды с помощью технической реализации «демона Максвелла» с использованием невиданных до сих пор материалов и взаимодействий нового типа. Первые прототипы таких устройств уже появились на Kiсkstarter.

При этом будет решена главная проблема человечества - превращения в тепло накопленных за сотни миллионов лет запасов углей и углеводородов, нещадно изменяющих продуктами сгорания климат нашей планеты. И грядущая термоядерная революция, гарантирующая, вслед за её бездумным освоением, тепловую смерть всякой органической жизни на Земле, не станет смертным приговором цивилизации. Ведь энергия любого вида, которую мы расходуем, в конце концов превращается в тепло и нагревает нашу планету.

Дело за малым - временем; доживём - увидим!

Историческая справка

Несмотря на то, что сами магниты и явление намагничивания были известны издавна, научное изучение магнетизма началось с работ французского средневекового учёного Пьера Пелерена де Марикура в далёком 1269 году. Де Марикур подписывал свои труды именем Петруса Перегрина (лат. Petrus Peregrinus).

Исследуя поведение железной иглы возле сферического магнита, учёный обнаружил, что игла по-особенному ведёт себя возле двух точек, названных им полюсами. Так и подмывает дать аналогию с магнитными полюсами Земли, но в то время за такой образ мыслей легко можно было отправиться на костёр! Кроме того, исследователь обнаружил, что любой магнит всегда имеет (в современном представлении) северный и южный полюса. И как не распиливай магнит в продольном или в поперечном сечении, всё равно каждый из полученных магнитов всегда будет иметь два полюса, как бы тонок он ни был.

«Крамольная» идея о том, что Земля сама по себе является магнитом, была опубликована английским врачом и натуралистом Уильямом Гилбертом в работе «De Magnete», увидевшей свет почти три века спустя в 1600 году.

В 1750 году английский учёный Джон Митчелл установил, что магниты притягиваются и отталкиваются (взаимодействуют) в соответствии с законом «обратных квадратов». В 1785 году французский учёный Шарль Огюстен де Кулон экспериментально проверил предположения Митчелла и установил, что северный и южный магнитные полюса не могут быть разъединены. Тем не менее, по аналогии с открытым им ранее законом взаимодействия электрических зарядов, Кулон всё же предположил существование и магнитных зарядов - гипотетических магнитных монополей .

Основываясь на известных ему на то время фактов о магнетизме и на преобладающем в то время в науке методологическом подходе к построению теорий взаимодействия как о некоторых жидкостях, в 1824 году соотечественник Кулона Симеон Дени Пуассон создал первую успешную модель магнетизма. В его теоретической модели магнитное поле описывалось диполями магнитных зарядов.

Но буквально сразу же три открытия подряд поставили под сомнение модель Пуассона. Рассмотрим их ниже.

Датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1819 году заметил отклонение стрелки магнитного компаса при включении и отключении электрического тока, протекающего через проводник в виде проволоки, обнаружив, таким образом, взаимосвязь между электричеством и магнетизмом.

В 1820 году французский учёный Андре-Мари Ампер установил, что проводники с токами, текущими в одном направлении притягиваются, а в противоположном - отталкиваются. В том же 1820 году французские физики Жан-Батист Био и Феликс Савар открыли закон названный впоследствии их именами. Этот закон позволял рассчитать напряжённость магнитного поля вокруг любого проводника с током вне зависимости от его геометрической конфигурации.

Обобщая полученные теоретические и экспериментальные данные, Ампер высказал идею об эквивалентности электрических токов и проявлений магнетизма. Он разработал свою модель магнетизма, в которой заменил магнитные диполи циркуляцией электрических токов в крошечных замкнутых петлях. Модель проявления магнетизма Ампера имела преимущество перед моделью Пуассона, поскольку объясняла невозможность разделения полюсов магнитов.

Ампер также предложил для описания таких явлений термин «электродинамика», который расширил применение науки об электричестве к динамическим электрическим объектам, дополняя тем самым электростатику. Пожалуй, наибольшее влияние на понимание сути проявлений магнетизма оказала концепция представления взаимодействия магнитов через силовое поле, описываемое силовыми линиями, предложенная английским учёным Майклом Фарадеем. Открытое в 1831 году Фарадеем явление электромагнитной индукции позднее было объяснено немецким математиком Францем Эрнстом Нейманом. Последний доказал, что возникновение электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него, является просто следствием закона Ампера. Нейман ввел в обиход науки понятие векторного магнитного потенциала, который во многом эквивалентен напряжённости силовых линий магнитного поля Фарадея.

Окончательную точку в споре двух моделей магнетизма поставил в 1850 году выдающийся английский физик Уильям Томпсон (лорд Кельвин). Введя понятие намагниченности среды M , в которой имеется магнитное поле, он не только установил зависимость между напряжённостью магнитного поля H и вектором магнитной индукции B , но и определил области применимости этих понятий.

Напряжённость магнитного поля. Определение

Напряжённость магнитного поля - это векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности М . В Международной системе единиц (СИ) значение напряжённости магнитного поля определяется формулой:

H = (1/μ 0) · B - M

где μ0 - магнитная постоянная, иногда её называют магнитной проницаемостью вакуума

В системе единиц СГС напряженность магнитного поля определяется по другой формуле:

Н = B - 4·π·М

В Международной системе единиц СИ напряжённость магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м), в системе СГС - в эрстедах (Э).

В электротехнике встречается также внесистемная единица измерения напряжённости - ампер-виток на метр. С другими величинами измерения напряжённости магнитного поля, применяемыми в различных приложениях, и их переводами из одной величины в другую, можно ознакомиться в конвертере физических величин.

Измерительные приборы для измерения величины напряжённости магнитного поля, как и приборы для измерения магнитной индукции, называют тесламетрами или магнитометрами.

Напряжённость магнитного поля. Физика явлений

Исследовательский токамак (то роидальная ка мера с ма гнитными катушками), работавший в научно-исследовательском институте государственной энергетической компании Hydro-Québec в пригороде Монреаля c 1987 по 1997 год, когда проект был закрыт для экономии бюджетных средств. Установка находится в экспозиции Канадского музея науки и техники

В вакууме (в классическом понимании этого термина) или в отсутствие среды, способной к магнитной поляризации или в случаях, когда магнитной поляризацией среды можно пренебречь, напряжённость магнитного поля Н совпадает (с точностью до коэффициента) с вектором магнитной индукции В . Для системы СГС этот коэффициент равен 1, для системы единиц СИ - μ0.

Напряжённость магнитного поля обусловлена свободными (внешними) токами, которые легко измерить или рассчитать. То есть напряжённость имеет смысл для внешнего магнитного поля, создаваемого катушкой с током, в которую вставлен материал, способный намагничиваться. Если нас не интересует поведение материала под действием магнитного поля, то достаточно оперировать только напряжённостью магнитного поля. Например, напряженности будет достаточно для технического расчёта взаимодействия магнитных полей двух или более катушек с током. Результирующая напряжённость будет векторной суммой полей, создаваемых отдельными катушками с током.

Поскольку большинство электромагнитных устройств работает в воздушной среде, важно знать её магнитную проницаемость. Абсолютная магнитная проницаемость воздуха приблизительно равна магнитной проницаемости вакуума и в технических расчётах принимается равной 4π 10⁻⁷ Гн/м.

Иное дело, когда нас интересует именно поведение среды, способной к намагничиванию, например, при использовании ядерных магниторезонансных явлений. При ЯМР ядра атомов, иначе называемые нуклонами и обладающие полуцелым спином (магнитным моментом), при воздействии магнитного поля поглощают или излучают электромагнитную энергию на определённых частотах. В этих случаях необходимо учитывать именно магнитную индукцию.

Применение напряжённости магнитного поля в технике

В большинстве случаев практического применения магнитного поля, например, для его создания или для измерения его величины, напряжённость магнитного поля играет ключевую роль. Существует множество примеров использования магнитного поля, в первую очередь в измерительной технике и в различных установках для проведения экспериментов.

Магнитное поле определённой силы и конфигурации удерживает плазменные шнуры или потоки заряженных частиц в исследовательских термоядерных реакторах и в ускорителях элементарных частиц, предотвращая тем самым охлаждение плазмы при контакте с ограждающими стенками. Оно же отклоняет потоки ионов или электронов в спектрометрах и кинескопах.

Измерение напряжённости магнитного поля Земли в различных точках очень важно для оценки состояния её магнитосферы. Существует даже целая сеть наземных станций и группировок научных спутников для мониторинга напряжённости магнитного поля Земли. Их работа позволяет предсказывать магнитные бури, возникающие на Солнце, сводя к минимуму, насколько это возможно, их последствия.

Измерение напряженности поля даёт возможность проводить различные изыскания, сортировать материалы и мусор, а также обеспечивать нашу безопасность, обнаруживая оружие террористов или заложённые мины.

Магнитометры

Магнитометрами называется целый класс измерительных приборов, предназначенных для измерения намагниченности материалов или для определения силы и направления магнитного поля.

Первый магнитометр был изобретён великим немецким математиком и физиком Карлом Фридрихом Гауссом в 1833 году. Этот прибор представлял собой оптический прибор с крутящимся намагниченным стержнем, подвешенным на золотой нити, и приклеенным к нему перпендикулярно оси магнита зеркалом. Измерялось различие колебаний намагниченного и размагниченного стержня.

Ныне используются более чувствительные магнитометры на иных принципах, в частности, на датчиках Холла, джозефсоновских туннельных контактах (СКВИД-магнитометры) индукционные и на ЯМР-резонансе. Они находят широкое применение в различных приложениях: измерении магнитного поля Земли, в геофизических исследованиях магнитных аномалий и в поиске полезных ископаемых; в военном деле для обнаружения объектов типа подводных лодок, затонувших кораблей или замаскированных танков, искажающих своим полем магнитное поле Земли; для поиска неразорвавшихся или заложенных боеприпасов на местах ведения боевых действий. В связи с миниатюризацией и снижением потребления тока, современными магнитометрами оснащаются смартфоны и планшеты. Ныне магнитометры входят как неотъемлемый компонент в оборудование разведывательных беспилотных летательных аппаратов и спутников-шпионов.

Любопытная деталь: в связи с повышением чувствительности магнитометров, одним из факторов перехода строительства подводных лодок на титановые корпуса вместо стальных корпусов было именно радикальное снижение их заметности в магнитном поле. Ранее подлодкам со стальным корпусом, как, впрочем, и надводным кораблям, приходилось время от времени проходить процедуру демагнетизации.

Магнитометры применяются при бурении скважин и проходке штолен, в археологии для оконтуривания раскопок и поиска артефактов, в биологии и медицине.

Металлодетекторы

Попытки использования напряжённости магнитного поля в военном деле предпринимались со времён Первой мировой войны, оставившей на полях сражений миллионы неразорвавшихся боеприпасов и установленных мин. Наиболее удачной оказалась разработка в начале 40-х годов прошлого столетия, поручика польской армии Юзефа Станислава Косацкого, принятая на вооружение британской армией и сослужившая немалую пользу при обезвреживании минных полей во время преследовании отступающих немцев войсками генерала Монтгомери при второй битве под Эль-Аламейном. Несмотря на то, что оборудование Коcацкого было выполнено на электронных лампах, оно весило всего 14 килограммов вместе с аккумуляторами питания и было настолько эффективным, что его модификации использовались британской армией в течение 50 лет.

Теперь нас не удивляет, в связи с распространением терроризма, прохождение перед посадкой на самолёт или на футбольные матчи сквозь индукционные рамки металлодетекторов, обследование охраной объектов нашего багажа или личный досмотр ручными металлоискателями на предмет обнаружения оружия.

Широкое распространение получили и бытовые металлоискатели, на пляжах модных курортов стала привычной картина искателей утерянных сокровищ, прочёсывающих местные пляжи в надежде найти что-либо ценное.

Эффект Холла и устройства на его основе

Наверное, все мы сталкивались в детстве с чудесными свойствами обыкновенных магнитов. Небольшой кусок металла привлекал к себе одни кусочки железа и отталкивал другие.

Удивительные свойства магнита этим не ограничиваются. Например, магнит, подвешенный на нити, всегда располагается в пространстве определенным образом - это свойство легло в основу изобретения компаса. Конечные точки магнита являются наиболее «сильными». Их принято называть «полюсами». Специфические свойства магнита обусловлены его магнитными полями, которые не являются веществом, но ведут себя весьма осязаемо. Одной из самых важных характеристик является напряженность магнитного поля.

Характеристики магнитного поля

Любое магнитное поле обладает энергией, которая проявляет себя при взаимодействии с другими телами. Под влиянием магнитных сил движущиеся частички меняют направление своего потока. Магнитное поле появляется лишь вокруг тех электрических зарядов, которые находятся в движении. Всякое изменение электрического поля влечет за собой появление магнитных полей.

Обратное утверждение также верно: изменение магнитного поля - предпосылка к возникновению электрического. Такое тесное взаимодействие привело к созданию теории электромагнитных сил, с помощью которых и сегодня успешно объясняются различные физические явления.

Изображение магнитных полей

Магнитное поле можно изобразить на листе бумаги при помощи силовых линий. Их рисуют таким образом, чтобы реальное направление сил поля в каждой точке совпадало с нарисованными. Направления силовых полей могут быть определены при помощи компасной стрелки, северный полюс которой всегда направлен по касательной к силовой линии. Северный полюс принято обозначать местом, откуда выходят силовые линии магнитного поля, и южный - местом их вхождения. Следует помнить, что такое разделение весьма условно, и принимается во внимание только из-за своей наглядности.

Что такое магнитная напряженность

Железные опилки, выстраивающиеся вдоль магнитных полей, доказывают, что магнитное поле имеет два важных показателя - величину и направление. В любой точке пространства магнитное поле распространяется со скоростью, равной скорости света в вакууме - 300000 километров/сек.

Чтобы дать определение характеристикам магнитного поля, ученые ввели величину «напряженность». Это векторная величина, указывающая направление действия магнитного поля и на количество его силовых линий. По своим характеристикам напряженность магнитного поля аналогична понятию «силы» в механике. Этот показатель не зависит от параметров среды, в которой проводятся эксперименты, а только от силы магнитного потока и расстояния до источника, продуцирующего поле. В различных случаях таким источником может служить одиночный магнит, магнитная катушка, электрический провод. В каждом из этих случаев возникает магнитное поле с определенными характеристиками.

Напряженность электромагнитного поля в экспериментах

Рассмотрим одиночный провод, по которому движется электрический ток. При движении этого провода вокруг него возникает магнитное поле. Его характеристики можно выразить через напряженность, которая определяется мерой воздействия магнитного поля на исследуемое тело.

Можно исследовать магнитное поле внутри катушки. В этом случае напряженность будет напрямую зависеть от количества витков катушки и расстояния между нею и исследуемым телом.

Объединяя эти два вывода, можно подвести итоги: напряженность магнитного поля в любой точке пространства обратно пропорциональна длине магнитной линии и прямо пропорциональна произведению количества витков катушки на силу тока.

Магнитная индукция

Определение напряженности магнитного поля было бы неполным без понятия «магнитная индукция». Эта величина объясняет, какую работу способно производить данное магнитное поле. Чем сильнее магнитное поле, тем больше работы оно может производить, тем больше значение его магнитной индукции.

В физике магнитная индукция обозначается литерой Ḇ. Наглядно ее можно изобразить в виде плотности магнитных силовых линий, приходящихся на единицу площади поверхности, которая расположена перперндикулярно к измеряемому магнитному полю. В настоящее время магнитная индукция измеряется в Теслах.

Магнитный поток

Еще одна величина, емко характеризующая магнитное поле. Магнитный поток определяет, какое количество силовых линий пронизывает определенную единицу площади. В однородном магнитном поле значение магнитного потока будет вычислено по формуле:

Ф= Ḇ/S, где:

Ф - магнитный поток;

Ḇ - значение магнитной индукции;

S - площадь, через которую проходя силовые линии магнитного поля.

В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в Веберах.

Формула напряженности

Физический смысл этой величины можно выразить формулой: Н= I×ω/ L, где:

L - расстояние между телом и источником магнитного поля;

ω - количество витков катушки;

I - сила тока в электрической цепи.

Из этого уравнения можно сделать вывод, что напряженность измеряется в [А/м], поскольку витки в катушке - количественная величина.

Намагничивающая сила

Произведение Н×I в данной формуле является не чем иным, как аналогией напряжения электрического поля. Если этот параметр применить ко всей длине линии магнитной индукции, то полученное произведение будет носить название намагничивающей силы (н.с). Эта физическая величина измеряется в амперах, но специалисты предпочитают термин «ампер-виток», подчеркивающий прямую зависимость силы от количества витков катушки.

Правило буравчика

Чтобы определить направление магнитного поля катушки или провода, специалисты применяют правило буравчика. Если «вкручивающее» движение воображаемого буравчика параллельно направлению тока в цепи, то "рукоятка" буравчика показывает, как будут располагаться силовые линии магнитного поля.

Примеры на определение напряженности магнитного поля

Пример 1. Имеется катушка с количеством витков 100 и имеющая длину 10 см. Необходимо обеспечить заданное значение напряженности магнитного поля в 5000А/м. Какой силы ток должен протекать по катушке?

Решение: согласно определению, намагничивающая сила катушки равна Н = I×ω/ L. А произведение Н×I дает намагничивающую силу. Отсюда можно вывести значение силы тока, которое равно: 5000А/м*0,1м = сила тока * количество витков. Решая простую пропорцию, получаем, что сила тока в данной задаче должна быть равна 5А.

Пример 2. В катушке 2000 витков, через нее протекает ток силой в 5 Ампер. Чему равна намагничивающаяся сила катушки?

Решение: простая формула дает ответ: н.с.= I×ω. Таким образом н.с = 2000×5 = 10000 ампер-витков.

Пример 3.

Как определить напряженность магнитного поля прямого электрического провода на расстоянии 5 см? Сила тока, текущего через провод, равна 30 А.

В этом примере нам также пригодится формула

В случае прямого провода количество витков катушки будет равно 1, а длина l = 2∙π∙r.

Отсюда можно вывести, что

Н = 30/(2*3,14*0,02) = 238,85 А/м.

Эти и подобные задачи легко можно решить при помощи базового курса школьной физики. Решение таких несложных примеров поможет понять качественную суть электромагнитных процессов в окружающей нас природе.

Одной из важнейших физических характеристик как естественной, так и искусственной среды обитания человека является магнитное поле. Оно представляет собой одну из форм существования электромагнитного поля. Главной отличительной чертой такой формы является то, что магнитное поле воздействует исключительно на те частицы и тела, которые, с одной стороны, находятся в непрерывном движении, а с другой - содержат определенный электрический заряд.

Еще из курса физики известно, что для создания магнитного поля необходимы проводник с током и переменные электрические поля. Важнейшими характеристиками этого поля служат вектор магнитной индукции и магнитная напряженность.

Напряженность магнитного поля представляет собой одну из векторных величин, изучаемых в физике, которая складывается из разности вектора электромагнитной индукции, а также вектора намагниченности. Так как магнитная напряженность есть то ее единицей измерений в общепринятой и самой распространенной принято считать ампер на метр. Чтобы получить напряженность электромагнитного поля величиной в 1 а/м, необходимо, чтобы в прямолинейном протяженном проводе с максимально малым диаметром сечения протекал электрический ток силой 2π ампера. В этом случае во всех пунктах образованного этим на расстоянии 1 метр напряженность электромагнитного поля и будет равна 1 а/м.

Напряженность магнитного поля, или, другими словами, количество силовых линий этого поля, можно оценить. В частности, чтобы определить направление этих линий, можно воспользоваться хорошо известным всем Это правило - один из краеугольных камней всей электротехники. Оно гласит, что в том случае если общая направленность движения буравчика полностью тождественна направлению электрического тока в конкретном проводнике, то направленность вращения буравчика тождественна направлению магнитных линий.

Ориентируясь на данное правило, легко доказать, что магнитные линии, которые возникают в витках катушки, направлены в одну и ту же сторону. Из этого можно сделать вывод, что напряженность магнитного поля внутри катушки будет намного более сильной, чем напряженность, создаваемая одним витком. Это связано в том числе и с тем, что силовые линии соседних витков направлены параллельно друг другу, но в разные стороны, следовательно, напряженность магнитного поля между ними будет неуклонно уменьшаться.

Вполне естественно, что магнитное поле любой катушки прямо пропорционально величине который проходит по ее виткам. Кроме того, напряженность магнитного поля напрямую зависит от того, насколько близко эти витки располагаются по отношению друг к другу. Опытным путем доказано, что в двух катушках, в которых течет электрический ток одинаковой силы, а число витков абсолютно совпадает, магнитное поле будет сильнее в той, где катушка обладает меньшей осевой длиной, то есть ее витки расположены значительно ближе друг к другу.

Очень значимой является числовая величина ампервитков, которую можно рассчитать, умножив количество витков в катушке на силу протекающего в них тока. От величины ампервитков будет зависеть и магнитодвижущая сила. Опираясь на это понятие, можно легко доказать, что магнитное поле исследуемой катушки находится в прямо пропорциональной зависимости от количества ампервитков на единицу осевой длины. Другими словами, напряженность электромагнитного поля тем выше, чем больше величина магнитодвижущей силы, создающейся в исследуемой катушке.

Помимо искусственно создаваемых магнитных полей, существует еще естественное которое формируется, в основном, во внешней оболочке ядра. Основные характеристики этого поля, в том числе и напряженность, изменяются как во времени, так и в пространстве, однако все основные законы, характерные для искусственно создаваемых полей, работают и в геомагнитном поле.

Магнитное поле постоянного магнита вызывается движением электронов по их орбитам в атоме.

Магнитное поле характеризуется напряженностью. Напряженность H магнитного поля аналогична механической силе. Она является векторной величиной, т. е. имеет величину и направление.

Магнитное поле, т. е. пространство вокруг магнита, можно представить заполненным магнитными линиями, которые принято считать выходящими из северного полюса магнита и входящими в южный (рис. 1). Касательные к магнитной линии показывают направление напряженности магнитного поля.

Напряженность магнитного поля больше там, где магнитные линии гуще (на полюсах магнита или внутри катушки с током).

Магнитное поле около проводника (или внутри катушки) тем больше, чем больше ток I и число витков ω катушки.

Напряженность магнитного поля H в любой точке пространства тем больше, чем больше произведение I∙ω и чем меньше длина магнитной линии:

H=(I∙ω)/l.

Из уравнения следует, что единицей измерения напряженности магнитного поля является ампер на метр (А/м).

Для каждой магнитной линии в данном однородном поле произведения H1∙l1=H2∙l2=...=H∙l=I∙ω равны (рис. 1).

Рис. 1.

Произведение H∙l в магнитных цепях аналогично напряжению в электрических цепях и называется магнитным напряжением, а взятое по всей длине линии магнитной индукции называется намагничивающей силой (н. с.) Fм: Fм=H∙l=I∙ω.

Намагничивающая сила Fм измеряется в амперах, но в технической практике вместо названия ампер применяется название ампер-виток, чем подчеркивается то, что Fм пропорциональна току и числу витков.

Для цилиндрической катушки без сердечника, длина которой значительно больше ее диаметра (l≫d), магнитное поле внутри катушки можно считать однородным, т. е. имеющим одинаковую напряженность магнитного поля H во всем внутреннем пространстве катушки (рис. 1). Так как магнитное поле вне такой катушки гораздо слабее, чем внутри нее, то внешним магнитным полем можно пренебречь и при расчете считать, что н. с. катушки равна произведению напряженности поля внутри катушки на длину катушки.

Полярность магнитного поля провода и катушки с током определяется правилом буравчика. Если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока, то направление вращения рукоятки буравчика укажет направление магнитных линий.

Примеры

1. Через катушку, имеющую 2000 витков, протекает ток 3 А. Чему равна н. с. катушки?

Fм=I∙ω=3∙2000=6000 А. Намагничивающая сила катушки равна 6000 ампер-виткам.

2. Катушка, имеющая 2500 витков, должна иметь н. с. 10000 А. Какой ток должен через нее протекать?

I=Fм/ω=(I∙ω)/ω=10000/2500=4 А.

3. По катушке протекает ток I=2 А. Сколько витков должно быть в катушке для обеспечения н. с. 8000 А?

ω= Fм/I=(I∙ω)/I=8000/2=4000 витков.

4. Внутри катушки длиной 10 см, имеющей 100 витков, необходимо обеспечить напряженность магнитного поля H=4000 А/м. Какой ток должен протекать по катушке?

Намагничивающая сила катушки Fм=H∙l=I∙ω. Отсюда 4000 А/м ∙0,1 м =I∙100; I=400/100=4 А.

5. Диаметр катушки (соленоида) D=20 мм, а ее длина l=10 см. Катушка намотана из медного провода диаметром d=0,4 мм. Какова напряженность магнитного поля внутри катушки, если она включена на напряжение 4,5 В?

Число витков без учета толщины изоляции ω=l∶d=100∶0,4=250 витков.

Длина витка π∙d=3,14∙0,02 м =0,0628 м.

Длина провода катушки l1=250∙0,0628 м =15,7 м.

Активное сопротивление катушки r=ρ∙l1/S=0,0175∙(4∙15,7)/(3,14∙0,16)=2,2 Ом.

Ток I=U/r=4,5/2,2=2,045 А ≈2 А.

Напряженность магнитного поля внутри катушки H=(I∙ω)/l=(2∙250)/0,1=5000 А/м.

6. Определить напряженность магнитного поля на расстоянии 1, 2, 5 см от прямого провода, по которому протекает ток I=100 А.

Воспользуемся формулой H∙l=I∙ω.

Для прямого провода ω=1 и l=2∙π∙r,

откуда H= I/(2∙π∙r).

H1=100/(2∙3,14∙0,01)=1590 А/м; H2=795 А/м; H3=318 А/м.