Соленоидом называют катушку цилиндрической формы из проволоки, витки которой намотаны вплотную в одном направлении, а длина катушки значительно больше радиуса витка.
Магнитное поле соленоида можно представить как результат сложения полей, создаваемых несколькими круговыми токами, имеющими общую ось. На рисунке 3 видно, что внутри соленоида линии магнитной индукции каждого отдельного витка имеют одинаковое направление, тогда как между соседними витками они имеют противоположное направление.
Поэтому при достаточно плотной намотке соленоида противоположно направленные участки линий магнитной индукции соседних витков взаимно уничтожаются, а одинаково направленные участки сольются в общую линию магнитной индукции, проходящую внутри соленоида и охватывающую его снаружи. Изучение этого поля с помощью опилок показало, что внутри соленоида поле является однородным, магнитные линии представляют собой прямые линии, параллельные оси соленоида, которые расходятся на его концах и замыкаются вне соленоида (рис. 4).
Нетрудно заметить сходство между магнитным полем соленоида (вне его) и магнитным полем постоянного стержневого магнита (рис. 5). Конец соленоида, из которого магнитные линии выходят, аналогичен северному полюсу магнита N , другой же конец соленоида, в который магнитные линии входят, аналогичен южному полюсу магнита S .
Полюсы соленоида с током на опыте легко определить с помощью магнитной стрелки. Зная же направление тока в витке, эти полюсы можно определить с помощью правила правого винта: вращаем головку правого винта по току в витке, тогда поступательное движение острия винта укажет направление магнитного поля соленоида, а следовательно, и его северного полюса. Модуль магнитной индукции внутри однослойного соленоида вычисляется по формуле
B = μμ 0 NI l = μμ 0 nl,
где Ν — число витков в соленоиде, I — длина соленоида, n — число витков, приходящееся на единицу длины соленоида.
| Намагничивание магнетика. Вектор намагниченности.
|
|||||||||
Если по проводнику течет ток, то вокруг проводника создаётся МП. Мы пока рассматривали провода, по которым текли токи, находящиеся в вакууме. Если провода, несущие ток, находятся в некоторой среде, то м.п. изменяется. Это объясняется тем, что под действием м.п. всякое вещество способно приобретать магнитный момент, или намагничиваться (вещество становится магнетиком
). Вещества, намагничивающиеся во внешнем м.п. против направления поля называются диамагнетиками . Вещества, слабо намагничивающиеся во внешнем м.п. по направлению поля называются парамагнетиками Намагниченное в-во создаёт м.п. - , это м.п. накладывается на м.п., обусловленное токами - . Тогда результирующее поле:
Истинное (микроскопическое) поле в магнетике сильно изменяется в пределах межмолекулярных расстояний. - усреднённое макроскопическое поле. Для объяснения намагничения тел Ампер предположил, что в молекулах вещества циркулируют круговые микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Каждый такой ток обладает магнитным моментом и создаёт в окружающем пространстве м.п. Если внешнее поле отсутствует, то молекулярные токи ориентированы беспорядочным образом, и обусловленное ими результирующее поле равно 0. Намагниченностью называют векторную величину, равную магнитному моменту единицы объёма магнетика:
где - физически бесконечно малый объём, взятый в окрестности рассматриваемой точки; - магнитный момент отдельной молекулы. Суммирование производится по всем молекулам, заключённым в объёме (вспомним где, - поляризованность диэлектрика, - дипольный элемент ). Намагниченность можно представить так: Токи намагничивания I" . Намагничивание вещества связано с преимущественной ориентацией магнитных моментов отдельных молекул в одном направлении. Элементарные круговые токи, связанные с каждой молекулой, называются молекулярными. Молекулярные токи оказываются ориентированными, т.е. возникают токи намагничивания - . Токи, текущие по проводам, вследствие движения в веществе носителей тока называют токами проводимости - . Для электрона движущегося по круговой орбите по часовой стрелке; ток направлен против часовой стрелки и по правилу правого винта направлен вертикально вверх. Циркуляция вектора намагниченности по произвольному замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов намагничивания, охватываемых контуром Г. Дифференциальная форма записи теоремы о циркуляции вектора . Напряжённость магнитного поля (стандартное обозначение Н ) — векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M . В СИ: В простейшем случае изотропной (по магнитным свойствам) среды и в приближении достаточно низких частот изменения поля B и H просто пропорциональны друг другу, отличаясь просто числовым множителем (зависящим от среды) B = μ H в системе СГС или B = μ 0 μ H в системе СИ (см. Магнитная проницаемость , также см. Магнитная восприимчивость ). В системе СГС напряжённость магнитного поля измеряется в эрстедах (Э), в системе СИ — в амперах на метр (А/м). В технике эрстед постепенно вытесняется единицей СИ — ампером на метр. 1 Э = 1000/(4π) А/м ≈ 79,5775 А/м. 1 А/м = 4π/1000 Э ≈ 0,01256637 Э. Физический смыслВ вакууме (или в отсутствие среды, способной к магнитной поляризации , а также в случаях, когда последняя пренебрежима) напряжённость магнитного поля совпадает с вектором магнитной индукции с точностью до коэффициента, равного 1 в СГС и μ 0 в СИ. В магнетиках (магнитных средах) напряжённость магнитного поля имеет физический смысл «внешнего» поля, то есть совпадает (быть может, в зависимости от принятых единиц измерения, с точностью до постоянного коэффициента, как например в системе СИ , что общего смысла не меняет) с таким вектором магнитной индукции, какой «был бы, если магнетика не было». Например, если поле создаётся катушкой с током, в которую вставлен железный сердечник, то напряжённость магнитного поля H внутри сердечника совпадает (в СГС точно, а в СИ — с точностью до постоянного размерного коэффициента) с вектором B 0 , который был бы создан этой катушкой при отсутствии сердечника и который в принципе может быть рассчитан исходя из геометрии катушки и тока в ней, без всякой дополнительной информации о материале сердечника и его магнитных свойствах. При этом надо иметь в виду, что более фундаментальной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B . Именно он определяет силу действия магнитного поля на движущиеся заряженные частицы и токи, а также может быть непосредственно измерен, в то время как напряжённость магнитного поля H можно рассматривать скорее как вспомогательную величину (хотя рассчитать её, по крайней мере, в статическом случае, проще, в чём и состоит её ценность: ведь H создают так называемые свободные токи , которые сравнительно легко непосредственно измерить, а трудно измеримые связанные токи — то есть токи молекулярные и т. п. — учитывать не надо). Правда, в обычно используемое выражение для энергии магнитного поля (в среде) B и H входят почти равноправно, но надо иметь в виду, что в эту энергию включена и энергия, затраченная на поляризацию среды, а не только энергия собственно поля. Энергия магнитного поля как такового выражается только через фундаментальное B . Тем не менее видно, что величина H феноменологически и тут весьма удобна. Виды магнетиков Диамагнетики имеют магнитную проницаемость чуть меньше 1. Отличаются тем, что выталкиваются из области магнитного поля. Парамагнетики имеют магнитную проницаемость чуть более 1. Подавляющее количество материалов являются диа- и пара- магнетиками. Ферромагнетики обладают исключительно большой магнитной проницаемостью, доходящей до миллиона. По мере усиления поля проявляется явление гистерезиса , когда при увеличении напряженности и при последующем уменьшении напряженности значения В(Н) не совпадают друг с другом. В литературе различают несколько определений магнитной проницаемости. Начальная магнитная проницаемость m н - значение магнитной проницаемости при малой напряженности поля. Максимальная магнитная проницаемость m max - максимальное значение магнитной проницаемости, которое достигается обычно в средних магнитных полях. Из других основных терминов, характеризующих магнитные материалы, отметим следующие. Намагниченность насыщения - максимальная намагниченность, которая достигается в сильных полях, когда все магнитные моменты доменов ориентированы вдоль магнитного поля. Петля гистерезиса - зависимость индукции от напряженности магнитного поля при изменении поля по циклу: подъем до определенного значения - уменьшение, переход через нуль, после достижения того же значения с обратным знаком - рост и т.п. Максимальная петля гистерезиса - достигающая максимальной намагниченности насыщения. Остаточная индукция B ост - индукция магнитного поля на обратном ходе петли гистерезиса при нулевой напряженности магнитного поля. Коэрцитивная сила Н с - напряженность поля на обратном ходе петли гистерезиса при которой достигается нулевая индукция.
Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в заряженном конденсаторе имеется запас электрической энергии, в катушке, по виткам которой протекает ток, имеется запас магнитной энергии.
Если включить электрическую лампу параллельно катушке с большой индуктивностью в электрическую цепь постоянного тока, то при размыкании ключа наблюдается кратковременная вспышка лампы. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки. Энергия W м магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, равна W м = LI 2 / 2 |
где — магнитная постоянная
.
, (7)
С другой стороны единица магнитной индукции (тесла) может быть установлена по формуле (5):
[
В
]
= , (8)
Перемножив выражения (7) и (8), получим:
[
В
]
2
= 
×
= 
= 
, (9)
Тогда заменив единицы измерения в выражении (9) физическими величинами, получим формулу для индукции поля соленоида, созданного переменным током:
В 2
= ,
отсюда В
= , (10)
где
V
- объём соленоида,
Р
– мощность переменного тока.
Таким образом, индукция магнитного поля соленоида увеличивается при увеличении мощности переменного тока и уменьшается при увеличении объёма соленоида.
Задача 1. Магнитная индукция поля внутри соленоида, состоящего из 2000 витков диаметра 2,8см, подключённого к источнику переменного тока с частотой 50Гц, равна 0,72мТл. Каково индуцированное в соленоиде напряжение?
| Дано: | СИ: | Решение: |
| N = 2000 витков d = 2,8 см В = 0,72 мТл n = 50 Гц | = 2,8 × 10 -2 м =0,72 × 10 -3 Тл | Индукция поля соленоида определяется формулой:
В
= , (1)
Учитывая, что
S
= , (2)
и, используя выражения (1) и (2), найдём
 . (3)
|
| U – ? | ||
| Подставляя исходные данные в выражение (3), получим: = 0,278 В. | ||
| Ответ: U = 0,278 В. | ||
| Дано: | СИ: | Решение: |
| U = 0,2 В d = 2,8 см В = 0,52 мТл n = 50 Гц | = 2,8 × 10 -2 м =0,52 × 10 -3 Тл | Индукция поля соленоида выражается формулой:
В
= , (1)
Учитывая, что
S
= , (2)
и, используя выражения (1) и (2), получим
 . (3)
|
| N – ? | ||
| Подставляя исходные данные в выражение (3), получим: витков | ||
| Ответ: N = 2000 витков. | ||
| Дано: | СИ: | Решение: |
| B = 0,72 мТл n = 50 Гц µ о =1,256 × 10 -6 V = 6,15 × 10 -5 м 3 N = 400 витков | =0,72 × 10 -3 Тл | Индукция поля соленоида определяется по формуле (10):
В
= , отсюда
Р
= .
Подставляя исходные данные, получим: 
|
| P – ? | ||
| » 3,2 мкВт. Ответ: Р » 3,2 мкВт. | ||
Соленоид представляет собой провод, навитый на круглый цилиндрический каркас. Линии В поля соленоида выглядят примерно так, как показано на рис. 50.1. Внутри соленоида направление этих линий образует с направлением тока в витках правовинтовую систему.
У реального соленоида имеется составляющая тока вдоль оси. Кроме того, линейная плотность тока (равная отношению силы тока к элементу длины соленоида ) изменяется периодически при перемещении вдоль соленоида. Среднее значение этой плотности равно
где - число витков соленоида, приходящееся на единицу его длины, I - сила тока в соленоиде.
В учении об электромагнетизме большую роль играет воображаемый бесконечно длинный соленоид, у которого отсутствует осевая составляющая тока и, кроме того, линейная плотность тока постоянна по всей длине. Причина этого заключается в том, что поле такого соленоида однородно и ограничено объемом соленоида (аналогично электрическое поле бесконечного плоского конденсатора однородно и ограничено объемом конденсатора).
В соответствии со сказанным представим соленоид в виде бесконечного тонкостенного цилиндра, обтекаемого током постоянной линейной плотности
Разобьем цилиндр на одинаковые круговые токи - «витки».
Из рис. 50.2 видно, что каждая пара витков, расположенных симметрично относительно некоторой плоскости, перпендикулярной к оси соленоида, создает в любой точке этой плоскости магнитную индукцию, параллельную оси. Следовательно, и результирующее поле в любой точке внутри и вне бесконечного соленоида может иметь лишь направление, параллельное оси.
Из рис. 50.1 вытекает, что направления поля внутри и вне конечного соленоида противоположны. При увеличении длины соленоида направления полей не изменяются и в пределе при остаются противоположными. Для бесконечного соленоида, как и для конечного, направление поля внутри соленоида образует с направлением обтекания цилиндра током правовинтовую систему.
Из параллельности вектора В оси вытекает, что поле как внутри, так и вне бесконечного соленоида должно быть однородным. Чтобы доказать это, возьмем внутри соленоида воображаемый прямоугольный контур 1-2-3-4 (рис. 50.3; участок идет по оси соленоида). Обойдя контур по часовой стрелке, получим для циркуляции вектора В значение Контур не охватывает токов, поэтому циркуляция должна быть равна нулю (см. (49.7)).
Отсюда следует, что Располагая участок контура 2-3 на любом расстоянии от оси, мы каждый раз будем получать, что магнитная индукция на этом расстоянии равна индукции на оси соленоида. Таким образом, однородность поля внутри соленоида доказана.
Теперь обратимся к контуру 1-2-3-4. Мы изобразили векторы штриховой линией, поскольку, как выяснится в дальнейшем, поле вне бесконечного соленоида равно нулю. Пока же мы знаем лишь, что возможное направление поля вне соленоида противоположно направлению поля внутри соленоида. Контур не охватывает токов; поэтому циркуляция вектора В по этому контуру, равная а, должна быть равна нулю.
Отсюда вытекает, что . Расстояния от оси соленоида до участков 1-4 и 2-3 были взяты произвольно. Следовательно, значение В на любом расстоянии от оси будет вне соленоида одно и то же. Таким образом, оказывается доказанной и однородность поля вне соленоида.
Циркуляция по контуру, изображенному на рис. 50.4, равна (для обхода по часовой стрелке). Этот контур охватывает положительный ток величины . В соответствии с (49.7) должно выполняться равенство
или после сокращения на а и замены на (см. )
Из этого равенства следует, что поле как внутри, так и снаружи бесконечного соленоида является конечным.
Возьмем плоскость, перпендикулярную к оси соленоида (рис. 50.5). Вследствие замкнутости линий В магнитные потоки, через внутреннюю часть 5 этой плоскости и через внешнюю часть S должны быть одинаковыми.
Поскольку поля однородны и перпендикулярны к плоскости, каждый из потоков равен произведению соответствующего значения магнитной индукции и площади, пронизываемой потоком. Таким образом, получается соотношение
Левая часть этого равенства конечна, множитель S в правой части бесконечно большой. Отсюда следует, что
Итак, мы доказали, что вне бесконечно длинного соленоида магнитная индукция равна нулю. Внутри соленоида поле однородно.
Положив в (50.3) , придем к формуле для магнитной индукции внутри соленоида:
Произведение называется числом ампер-витков на метр. При витков на метр и силе тока в 1 А магнитная индукция внутри соленоида составляет .
В магнитную индукцию на оси соленоида симметрично расположенные витки вносят одинаковый вклад (см. формулу (47.4)). Поэтому у конца полубесконечного соленоида на его оси магнитная индукция равна половине значения (50.4): - число витков на единицу его длины). В этом случае
Контур, проходящий вне тороида, токов не охватывает, поэтому для него Таким образом, вне тороида магнитная индукция равна нулю.
Для тороида, радиус которого R значительно превосходит радиус витка, отношение для всех точек внутри тороида мало отличается от единицы и вместо (50.6) получается формула, совпадающая с формулой (50.4) для бесконечно длинного соленоида. В этом случае поле можно считать однородным в каждом из сечений тороида. В разных сечениях поле имеет различное направление, поэтому говорить об однородности поля в пределах его тороида можно только условно, имея в виду одинаковость модуля В.
У реального тороида имеется составляющая тока вдоль оси. Эта составляющая создает в дополнение к полю (50.6) поле, аналогичное полю кругового тока.
Соленоид – катушка, длина которой значительно превышает толщину (проводник, навитый на цилиндр). Опыт и расчет показывает, что чем длиннее соленоид, тем меньше индукция МП снаружи него. Для бесконечно длинного соленоида МП снаружи отсутствует вообще.
1 этап . Из соображений симметрии ясно, что линии вектора направлены вдоль его оси, причем составляет с направлением тока в соленоиде правовинтовую систему.
2 этап. Выбираем контур L в виде прямоугольника 1-2-3-4-1, как показано на рис. 6 (одна из сторон которого параллельна оси соленоида и располагается внутри него).
Рис. 6
Рассчитаем циркуляцию по данному контуру:
где - длина стороны 1-2 контура. На сторонах 2-3, 3-4 и 4-1 интеграл обращается в ноль, т.к. внутри соленоида , а за его пределами .
3 этап. Рассчитаем суму токов, охватываемых контуром , где – число витков на стороне контура 1-2. Выбираем знак «+», т.к. направление тока и обхода контура связано правилом правого винта.
4 этап.
Использую т о циркуляции, находим модуль вектора : 
, откуда
, (1.20)
где – число витков на единицу длины соленоида.
Магнитное поле тороида Тороид – кольцевая катушка с витками, намотанными на сердечник, имеющий форму тора.
здесь N - число витков в тороидальной катушке, – радиус осевой линии тороида (т.е. окружности, проходящей через центры витков).
Вне тороида МП отсутствует.
§ 5. Сила Ампера
Каждый носитель тока испытывает действие магнитной силы. Действие этой силы передается проводнику, по которому заряды движутся. В результате магнитное поле (МП) действует с определенной силой на сам проводник с током. Силы, действующие на токи в МП, называют силами Ампера.
Закон Ампера определяет силу , с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током :
Интегрируя это выражение по элементам тока, можно найти силу Ампера, действующую на тот или иной участок проводника.
Направление силы удобно определять по правилу левой руки (рис.).
Рис. Правило левой руки.
Сила взаимодействия параллельных токов.
2 параллельных бесконечно длинных проводника с токами и находятся на расстоянии . На единицу длины проводника с током действует сила 
.
Нетрудно убедиться, что токи, одинаково направленные, притягиваются, а противоположно направленные –отталкиваются. Здесь речь идет только о магнитной силе! Нельзя забывать, что кроме магнитной имеется еще и электрическая сила, обусловленная избыточными зарядами на поверхности проводников. Поэтому если говорить о полной силе взаимодействия проводников, то она может быть как отталкивающей, так и притягивающей в зависимости от соотношения магнитной и электрической составляющих.
§ 6. Момент сил, действующих на контур с током
Соленоид представляет собой провод, навитый равномерно в виде спирали на общий цилиндрический каркас (см. рис. 12.14). Произведение (IN) числа витков однослойной намотки соленоида на силу тока, обтекающего витки, называется числом ампер-витков.
Соленоиды
предназначены для создания в небольшом
объеме пространства достаточно сильного
магнитного поля. При плотной намотке
витков поле соленоида эквивалентно
полю системы круговых параллельных
токов с общей осью. Если диаметр d витков
соленоида во много раз меньше его длины
(d
l), то соленоид считается бесконечно
длинным (или тонким). Магнитное поле
такого соленоида практически целиком
сосредоточено внутри, причем вектор
магнитной индукции
внутри
направлен
вдоль оси соленоида и связан с направлением
тока правилом правого винта.
Р
ис.
12.15
Рассмотрим
воображаемый замкнутый контур
внутри соленоида (рис.
12.15). Этот
контур не охватывает токов, поэтому по
теореме о циркуляции
Разобьем
этот круговой интеграл на четыре
интеграла (по сторонам контура) и учтем,
что на отрезках (1-2) и (3-4) вектор
перпендикулярен
,
поэтому скалярное произведение (
,
)
здесь обращается в ноль. Индукция поля
во всех точках отрезка (2-3) одинакова и
равна
23 ,
а на отрезке (4-1) 
41 ,
причем l 23 =
l 41
= l.
Таким образом, обойдя контур по часовой стрелке, получим
Так как l 0, то В 23 = В 41 = В внутри.
Поскольку контур внутри соленоида был выбран произвольно, то полученный результат справедлив для любых внутренних точек соленоида, то есть поле внутри соленоида однородное:
внутри
= const.
Чтобы найти величину индукции этого поля, рассмотрим контур L 2 (а –b –c –d –а ), охватывающий N витков с током (рис. 12.15). Согласно теореме о циркуляции (и на основании предыдущих рассуждений), получим соотношение
Поле
снаружи бесконечно длинного соленоида
очень слабое (
снаружи
=0), им можно
пренебречь, следовательно,
(12.35)
где n=N/l - число витков, приходящихся на единицу
длины соленоида.
Таким образом, индукция магнитного поля внутри бесконечно длинного соленоида одинакова по величине и направлению и пропорциональна числу ампер-витков, приходящихся на единицу длины соленоида.
Симметрично расположенные витки вносят одинаковый вклад в магнитную индукцию на оси соленоида, поэтому у конца полубесконечного соленоида на его оси магнитная индукция равна половине того значения, которое дает формула (12.35), т.е.
(12.36)
Практически, если (l d ), то формула (12.35) справедлива для точек в средней части соленоида, а формула (12.36) – для точек на оси вблизи его концов.
Применяя закон Био-Савара-Лапласа, можно найти магнитную индукцию поля соленоида конечной длины (рис. 12.16) в произвольной точке А на его оси:
(12.37)
г
де
- углы между осью соленоида и радиус-
вектором, проведенным из рассматриваемой
точки к концам соленоида.
Поле
такого соленоида неоднородное, величина
индукции зависит от положения точки А
и длины соленоида. Для бесконечно
длинного соленоида
,
,
и формула (12.37) переходит в формулу
(12.35).
