- •Глава III. Магнетизм
- •§12. Магнитное поле в вакууме
- •12.1. Опыт Эрстеда. Индукция магнитного поля
- •Магнитное поле
- •12.2. Поток вектора . Теорема Гаусса
- •12.3 Магнитное взаимодействие токов. Закон Ампера
- •Закон Био-Савара-Лапласа
- •12.5 Принцип суперпозиции. Применение закона
- •12.5.2. Магнитное поле прямого тока
- •12.6. Теорема о циркуляции вектора магнитной индукции. Вихревой характер магнитного поля
- •12.5.1 Магнитное поле кругового тока
- •12.7. Магнитное поле соленоида
- •12.7. 1. Магнитное поле тороида
- •§13. Магнитное поле в веществе
- •Электрона и атома
- •13.2. Намагничивание вещества. Вектор намагниченности
- •Поле в магнетиках. Напряженность магнитного поля
- •13.4. Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость
- •13.5. Теорема о циркуляции вектора
- •13.6. Расчет магнитного поля длинного стержневого проводника с током
- •Граничные условия для векторов и
- •13.8. Расчет магнитного поля в неоднородных средах
- •Типы магнетиков
- •13.9.1. Природа диамагнетизма
- •13.9.2. Природа парамагнетизма.
- •13.9.3. Ферромагнетизм
- •13.9.4. Природа ферромагнетизма
- •§ 14. Заряды и токи в магнитном поле
- •14.1. Сила Ампера и сила Лоренца
- •Силу (14.4) называют силой Лоренца. Ее величина
- •14.2. Закономерности движения заряженных частиц в магнитном поле
- •14.3. Ускорители заряженных частиц
- •Внутри дуанта электрическое поле отсутствует, поэтому
- •Контур с током в магнитном поле
- •В неоднородном магнитном поле помимо вращательного момента, стремящегося повернуть виток, будет действовать сила, вызывающая поступательное перемещение витка с током.
- •Если в процессе перемещения сила тока не меняется, то
- •14.5. Физические принципы работы электроизмерительных приборов
- •14.5.1. Магнитоэлектрическая система
- •Таким образом,
- •14.5.2. Электродинамическая система
- •§15. Электромагнитная индукция
- •Явление электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Правило Ленца
- •Если потоки, пронизывающие витки, одинаковы, то
- •15.2. Генераторы и электродвигатели
- •15.2.1. Генератор переменного тока
- •15.2.2. Генератор постоянного тока и электродвигатель
- •Токи Фуко
- •15.4. Явление самоиндукции. Индуктивность
- •Потокосцепление самоиндукции такого соленоида
- •15.5. Токи при размыкании и замыкании цепи
- •15.6. Природа э.Д.С. Индукции
- •15.7. Явление взаимной индукци
- •15.8. Физические принципы работы трансформатора
- •§ 16.Энергия магнитного поля
- •16.1. Магнитная энергия контуров с током
- •16.2. Энергия магнитного поля. Плотность магнитной энергии
- •§ 17. Обобщение законов электромагнетизма. Уравнения Максвелла
- •17.1. Обобщение закона электромагнитной индукции. Первое уравнение Максвелла
- •17.2 Обобщение теоремы о циркуляции вектора напряженности магнитного поля. Ток смещения
- •17.3 Вектор плотности тока смещения
- •Таким образом, линии вектора плотности тока смещения между пластинами непрерывно переходят в линии плотности тока проводимости внутри проводящей пластины.
- •17.4. Второе уравнение Максвелла
- •17.5. Система уравнений Максвелла
13.6. Расчет магнитного поля длинного стержневого проводника с током
Предположим,
что по цилиндрическому проводу радиуса
R
течет ток силой I,
равномерно распределенный с плотностью
по сечению (рис.13.3). Найдем напряженность
магнитного поля
,
создаваемого током в точке, отстоящей
от оси на расстоянииr.
Для этого воспользуемся теоремой
о циркуляции (13.22)
![]()
п
рименив
ее к воображаемому контуруL
в виде окружности радиуса r
с центром на оси стержня в плоскости,
перпендикулярной оси.
Рис. 13.3
Сначала определим поле внутри стержня, поэтому положим r R, L = L1. (см. рис. 13.3).
В
силу симметрии задачи такая окружность
совпадает с одной из силовых линий поля
тока, поэтому в любой точке контура
векторы
и
совпадают
по направлению, причем
=
const.
Кроме того, на любом элементе
поверхности натянутой на контур, вектор
плотности тока
=const
и совпадает с направлением нормали
(т.е. с направлением
).
Выполнив интегрирование, получим
![]()
где
,
(r
R).
Отсюда находим:
Н
внутри
=
(13.24)
Поскольку
сила тока
,
(
=S -площадь
сечения стержня), то формулу (13.24) можно
записать в виде
Н
внутри
=
(13.25)
Из
формул (13.24) и (13.25) следует, что магнитное
поле внутри стержня линейно нарастает
от нуля (на оси) до максимального значения
Н
max
=
(на поверхности, т.е. приr
= R).
Для расчета поля вне стержня, т.е. в точках r R, следует рассмотреть вспомогательный контур L = L2 радиуса большего, чем радиус R проводника. В этом случае применение теоремы о циркуляции дает:
HL2 = j S2,
где L2 = 2r и S2= R2, поэтому
Н
вне
=
илиНвне
=
.
Эти
формулы показывают, что магнитное поле
вне стержня с током оказывается таким,
как если бы полный ток протекал по оси
стержня (см. формулу (12.22)). Характер
зависимости напряженности Н магнитного
поля стержня с током от расстояния r
до оси стержня и
ллюстрирует
рисунок 13.4.
Рис. 13.4
Граничные условия для векторов и
При
переходе из вещества с магнитной
проницаемостью
в вещество с магнитной проницаемостью
векторные характеристики магнитного
поля
и
изменяются по величине и по направлению.
Найдем граничные условия, определяющие
эти изменения.
Рассмотрим
границу раздела указанных сред (рис.
13.5). Векторы магнитной индукции в этих
средах
1
и
2
разложим
на составляющие: нормальные
1n
и
2n
(перпендикулярные границе раздела сред)
и тангенциальные
1
и
2
(параллельные
границе). Воспользуемся теоремой Гаусса
для вектора
(формула 13.17)). Для этого построим
вспомогательную поверхностьS
в форме цилиндра высотой h
с основаниями (S1=
S2),
параллельными границе раздела, но
находящимися в разных средах.

Рис. 13.5
Запишем соотношение (13.17), учитывая, что потоки через основания цилиндрической поверхности создаются только нормальными составляющими векторов индукции, а поток через боковую поверхность Sбок только тангенциальными:
![]()
В
пределе (при h
0) Sбок
обращается в ноль, а в интегралах по
основаниям нормальные составляющие
В1n
и В2n
принимают граничные значения. Учитывая
направления внешних нормалей
и
к основаниям,
получим
-![]()
Отсюда получаем первое граничное условие:
В1n = В2n . (13.26)
Заменив
согласно (13.14) проекции вектора
проекциями вектора
,
умноженными на
,
получим второе граничное условие:
(13.27)
Если
воспользоваться теоремой о циркуляции
вектора
(13.21) для прямоугольного замкнутого
контураL
на границе раздела (см. рис. 13.5), то в
итоге, т.к. контур L
не охватывает макротоков, получим третье
граничное условие:
.
(13.28)
Применив формулу (13.14), найдем четвертое граничное условие:
(13.29)
Таким
образом, при переходе через границу
раздела двух магнетиков нормальная
составляющая
(т.е.Вn)
и тангенциальная составляющая
( т.е. Н)
не изменяются, что следует из (13.26) и
(13.28); в тоже время нормальная составляющая
(
т.е.Нn)
и тангенциальная составляющая
(т.е.В)
меняются скачком, определяемым условиями
(13.27) и (13.29). В итоге линии векторов
и
испытывают излом на границе двух сред.
Как и в случае диэлектриков, можно найти
закон преломления силовых линий
магнитного поля (см. рис. 13.5):
![]()
И
з
этого соотношения следует, что входя в
магнетик с большей магнитной проницаемостью,
линии
и
отклоняются от нормали и “прижимаются”к
границе раздела. Этот факт используется
для формирования магнитных пучков (т.е.
для придания им необходимого направления
и формы). В частности, для защиты
(экранировки) чувствительного прибора
от влияния внешних магнитных полей его
окружают слоем ферромагнетика, например,
железной оболочкой (рис. 13.6).
Рис. 13.6
