5. Электромагнитные силы, создаваемые магнитным полем

Магнитное поле взаимодействует с электрическим током. Сила, с которой магнитное поле действует на отрезок проводника с током ток, называется силой Ампера

Электромагнитная сила определяется законом Ампера: электромагнитная сила, действующая на проводник с током, находящийся в магнитном поле и расположенный перпендикулярно направлению поля, равна произведению силы тока I, индукции магнитного поля В и длины проводника l:

Механическая сила F, действующая на отрезок проводника с током, пропорциональна величине тока I, длине отрезка l и индукции магнитного поля В и зависит от угла  между направлением тока и магнитного поля

F=I×l×B×sinα

Если проводник расположен перпендикулярно магнитным силовым линиям (sinα=1), то сила, действующая на проводник

F=I×l×B

Подвижной проводник с током АВ, находясь в магнитном поле, будет перемещаться под действием этого поля. Направление силы, действующей на ток, определяется правилом «левой руки»: если расположить левую руку так, чтобы магнитные линии пронизывали ладонь, вытянутые четыре пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец на 90 укажет направление действия электромагнитной силы (рис. 8).

а)	б )	в )
Рисунок 8 - Сила Ампера, действующая на проводник с током в магнитном поле: а) α = 0; б) произвольный угол α ; в) α = 90º .

Проводники, по которым течет электрический ток, взаимодействуют между собой. Силы этого взаимодействия называются магнитными силами. Простейший вид магнитного взаимодействия – это взаимодействие параллельных проводников с током. Если токи текут в одном направлении – проводники притягиваются (рисунок 1а), если в противоположных – отталкиваются (рисунок 2б).

Электрические токи взаимодействуют своими магнитными полями. Токи одинакового направления притягиваются. Токи противоположных направлений отталкиваются (рис. 9).

Опыты Ампера показали, что если имеется два безграничных параллельных проводника с током I₁ и I₂, расположенных на расстоянии а друг от друга в вакууме, то сила F, действующая на участок проводника длиной l, определяется формулой

,

т.е. механическая сила пропорциональна произведению токов, обратно пропорциональна расстоянию и прямо пропорциональна длине отрезка проводника;

где – коэффициент пропорциональности;

0 – магнитная постоянная, Г/м (Генри/метр).

6. Электромагнитная индукция, самоиндукция и взаимоиндукция

Явление возникновения ЭДС в контуре при пересечении его магнитным полем называется электромагнитной индукцией.

Если проводник или катушка перемещаются в магнитном поле и при этом пересекают магнитные силовые линии, то в проводнике или катушке будет возникать индуцированная ЭДС, а если проводник или катушка замкнуты, то возникает индуцированный ток (закон Фарадея)

Е_пр=Вlv

Направление индуцированной ЭДС определяется правилом правой руки: правую руку надо расположить так, чтобы магнитные силовые линии были направлены перпендикулярно ладони, а отогнутый на 90 большой палец был направлен по вектору скорости, тогда четыре вытянутых пальца покажут направление ЭДС.

При изменении магнитного потока, охватываемого замкнутым контуром, в нем индуктируется ЭДС (закон Максвелла)

Правило Ленца: индуцируемая ЭДС всегда возникает такого направления, чтобы своим магнитным полем препятствовать тем причинам, которые его вызывают. Знак «-» отражает правило Ленца.

При прохождении переменных магнитных потоков наводятся ЭДС и возникают вихревые токи, которые нагревают магнитопровод и производят размагничивающее действие.

При изменении тока в проводнике изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока индуцирует в проводнике ЭДС. Это явление называется самоиндукцией. Особенно сильно сказывается самоиндукция в цепях, содержащих железные сердечники (электромоторы, трансформаторы, электромагниты). Явление самоиндукции характеризуется индуктивностью L. Величина ЭДС самоиндукции пропорциональна скорости изменения электрического тока и обратно направлена

где L – коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью контура. Зависит от геометрической формы и размеров контура и магнитной проницаемости окружающей среды. Единица измерения – генри (Гн).

Знак «-» обозначает, что  направлена в сторону, противоположную скорости изменения тока.

При протекании электрического тока в контуре магнитный поток сцепления  пропорционален силе электрического тока I

=L×I

где L – коэффициент пропорциональности, называемый индуктивностью контура. Зависит от геометрической формы и размеров контура и магнитной проницаемости окружающей среды.

С изменением силы тока I изменяется и магнитный поток, сцепленный с контуром, а всякое изменение магнитного потока создает э.д.с.

=

Т.о., изменение силы тока в контуре приводит к возникновению ЭДС индукции в том же самом контуре. Это явление называется самоиндукцией. Особенно сильно сказывается самоиндукция в цепях, содержащих железные сердечники (электромоторы, трансформаторы, электромагниты).

Явление самоиндукции – это своего рода проявление закона инерции для электрических процессов. Если ток в цепи возрастает, ЭДС самоиндукции направлена навстречу току и стремится воспрепятствовать этому возрастанию. Если ток в цепи убывает, ЭДС самоиндукции направлена в сторону течения тока и стремится поддерживать его, чтобы воспрепятствовать этому убыванию.

Взаимная индукция: если две катушки с током расположить рядом, то магнитное поле каждой из них будет пронизывать контур другой. Взаимной индукцией называется явление наведения ЭДС в одном контуре при изменении тока в другом. Для оценки степени магнитной связи применяют взаимную индуктивность М

М=RL1L2

где R1 и показывает, что не весь магнитный поток является общим для обеих катушек.

Вихревые токи: в магнитопроводах электротехнических устройств (электрических машин, трансформаторов) при прохождении переменных магнитных потоков наводятся ЭДС и возникают вихревые токи. Эти токи нагревают магнитопровод, создают дополнительные потери и производят размагничивающее действие. С целью уменьшения потерь от вихревых токов сердечники трансформаторов и других устройств выполняют из специальных сортов электротехнической стали, имеющей повышенное удельное сопротивление. С этой же целью сердечники выполняют не сплошными, а набранными из тонких листов (0,1 – 0,5 мм), изолированных друг от друга лаком.