Вокруг проводника или катушки с электрическим током всегда возникает магнитное 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.