Всем доброго времени суток. В прошлой статье я рассказывал о принципе действия конденсатора, который является одним из типов реактивных элементов. Вторым типом реактивного элемента является катушка индуктивности или дроссель, который я рассмотрю в следующих статьях. Сегодняшняя статья посвящена магнитному полю и его свойствам, без которого невозможно описать принцип действия индуктивных элементов.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Что такое магнитное поле?

В одной из предыдущих статей, рассказывая об электрическом поле, я упомянул, что оно является частью общего электромагнитного поля. Не трудно догадаться, что второй частью является магнитное поле, дополняющее картину взаимодействия электрических зарядов.

Использование магнитов началось давно, так, к примеру, магнитный компас используется уже более 4000 лет, а исследованиями магнитных полей занялись в XIII веке. Однако магнетизм, как наука стал распространяться только с XVII века с работ Уильям Гильберт Колчестера. С момента открытия электричества и исследования электрических явлений, стало ясно, что электрические и магнитные явления взаимосвязаны. Данную связь исследовали Андре-Мари Ампер и  Джеймс Клерк Максвелл.

В результате этих исследований было установлено, что существуют тела, которые обладают следующими свойствами:

— данные тела притягивают металлические предметы;

— если проводник с током поместить возле данного тела, то на данный проводник будет действовать некоторая сила, которая заставляет перемещаться данный проводник с током;

— если проводник перемещать возле таких тел, то на концах проводника появляется ЭДС (электродвижущая сила), то есть напряжение.

Тела вокруг, которых наблюдались данные явления, назвали магнитами, а пространство вокруг магнитов – магнитными полями. Магнитное поле на поверхности магнита имеет максимальное значение в некоторых точках, которые назвали полюсами магнита. Каждый магнит имеет два полюса: северный, обозначаемый буквой N и южный, имеющий обозначение – S. Магнитное поле состоит из силовых линий, направление, которых приняли считать от северного полюса к южному полюсу.

Магнитное поле магнита.

Изначально для получения магнитного поля использовали природными магнитами, но после того как обнаружили явление электромагнетизма, то есть свойство проводника с электрическим током, создавать магнитное поле, то начали использовать электромагниты.

Параметры магнитного поля

Изучение магнитного поля, как и любого другого физического явления, происходило на основе экспериментов, в результате которых в 19 веке было установлено два факта:

1. Магнитное поле воздействует на движущиеся заряды.
2. Движущиеся заряды создают магнитное поле.

Таким образом, вокруг проводника, по которому протекает электрический ток, возникает магнитное поле, силовые линии которого имеют вид окружностей, расположенных перпендикулярно проводнику. Причем направление магнитных силовых линий проводника с током определяется, так называемым «правилом буравчика», то есть направление магнитных силовых линий, вокруг проводника с током совпадает с направлением вращения рукоятки буравчика, если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводе.

Магнитное поле проводника с током и направление действия вектора магнитной индукции.

Магнитное поле характеризуется следующими параметрами: магнитная индукция, магнитный поток, напряженность магнитное поля и магнитная проницаемость. Рассмотрим данные параметры подробнее.

Что такое магнитная индукция?

Магнитной индукцией называется интенсивность магнитного поля в каждой его точке. То есть, перенося определение магнитной индукции на проводник с током, можно сказать, что это силовое поле, которое действует на проводник с током в магнитном поле. Магнитная индукция обозначается буквой В и имеет размерность Тл (тесла). Данное силовое воздействие изображено на рисунке ниже

Рисунок, изображающий силовое воздействие на проводник с током в магнитном поле.

Данный рисунок показывает, что на прямолинейный проводник длиной l, по которому протекает электрический ток силой I, помещенный в магнитное поле с магнитной индукцией B действует сила F. Причем направления действия силы на проводник перпендикулярно протеканию электрического тока и направлению силовых линий магнитного поля.

где F – сила, действующая на проводник с током в магнитном поле,

I – сила тока, протекающего по проводнику,

l – длина проводника, находящегося в магнитном поле.

Таким образом, магнитная индукция B численно равна силе F, действующей на проводник длиной 1 м, по которому протекает сила тока в 1 А.

Магнитная индукция есть векторная величина, направление, которой в каждой точке магнитного поля совпадает с направлением магнитного поля. Таким образом, магнитное поле считается однородным, если векторы магнитной индукции В во всех точках поля одинаковы, иначе магнитное поле считается неоднородным.

Что такое магнитный поток?

Магнитным потоком называется физическая величина пропорциональная количеству силовых линий магнитного поля на определённой площади пространства. Так как силовые линии являются абстрактным понятием, то, следовательно, магнитный поток характеризует интенсивность магнитного поля, то есть магнитную индукцию на данной площади. Магнитный поток обозначается Ф и имеет размерность Вб (Вебер).

Изображение магнитного потока.

Таким образом, магнитный поток можно выразить следующим выражением

где В – магнитная индукция,

S – площадь поверхности, для которой рассчитывается магнитный поток.

На рисунке изображены силовые линии магнитного поля, которые перпендикулярны к поверхности S, то есть угол между вектором магнитной индукции В и поверхностью S равен 90°. Однако часто бывает, что необходимо вычислит магнитный поток на плоскости не перпендикулярной вектору магнитной индукции. Для определения такого магнитного потока необходимо привести вектор магнитной индукции к нормали

Приведение к нормали вектора магнитной индукции.

Таким образом, итоговое выражение для нахождения магнитного потока будет иметь вид

где В – вектор магнитной индукции,

S – площадь поверхности, на которой находят магнитный поток,

α – угол между вектором магнитной индукции и нормалью к поверхности S.

Что какое магнитная проницаемость?

Параметры магнитного поля в значительной степени зависит от окружающего пространства. Это объясняется тем, что электроны, вращаясь вокруг ядра атома, создают свой собственный микроток, а как известно ток создает магнитное поле. Таким образом, когда внешнее магнитное поле отсутствует,  микротоки ориентируются беспорядочным образом и их магнитное поле практически нельзя обнаружить. В случае воздействия внешнего магнитного поля происходит некоторая ориентация микротоков и в результате создаваемое микротоками магнитное поле накладывается на внешнее магнитное поле и изменяют его. Таким образом, под действием внешнего магнитного поля происходит намагничивание веществ, в которых данное магнитное поле распространяется.

Степень намагничивания веществ или их магнитные свойства характеризуются магнитной проницаемостью, которая бывает абсолютной и относительной.

Абсолютная магнитная проницаемость является характеристикой магнитных свойств веществ, обозначается μ_а или μ. В зависимости от данной величины все вещества делятся на три класса:

— диамагнетики, у которых абсолютная магнитная проницаемость меньше единицы (μ ≤ 1);

— парамагнетики, у которых значение абсолютной магнитной проницаемости больше единицы (μ ≥ 1);

— ферромагнетики, у которых абсолютная магнитная проницаемость значительно больше единицы (μ >> 1).

В некоторых случаях вместо абсолютной магнитной проницаемости удобнее пользоваться значениями относительной магнитной проницаемости.

Относительной магнитной проницаемостью, называется коэффициент, который показывает во сколько раз значение абсолютной магнитной проницаемости больше магнитной постоянной (или проницаемости вакуума). Относительная магнитная проницаемость обозначается μ_r  и может быть выражена следующим выражением

где μ₀ – магнитная постоянная, μ₀ = 4π*10^-7 Гн/м.

Что такое напряженность магнитного поля?

Довольно часто при расчётах магнитных цепей используют понятие напряженности магнитного поля, которое характеризует магнитное поле, но в отличие от магнитной индукции не зависит от свойств окружающей среды. Напряженность магнитного поля является векторной величиной и обозначается Н.

В большинстве случаев напряженность магнитного поля совпадает с направлением вектора магнитной индукции В, кроме того между ними существует прямая зависимость

где μ₀ –магнитная постоянная, μ₀ = 4π*10^-7 Гн/м;

В – магнитная индукция.

Единицей напряженности магнитного поля является эрстед (Э).

Более подробно с вышеописанными параметрами магнитного поля я ознакомлю вас в следующих статьях.