Меню

Направление вектора магнитного момента контура с током

Магнитный момент контура с током. Вращающий момент.

Для исследования магнитного поля применяется плоский замкнутый контур с током очень малых размеров. Будем называть такой контур пробным контуром. Ориентацию его в пространстве характеризует направление нормали к контуру, восстанавливаемой по правилу правого винта (буравчика): если вращать рукоятку правого буравчика по направлению тока в контуре, тогда направление его поступательного движения даст направление нормали.

Магнитное поле контура характеризуется магнитным моментом

где I – сила тока в контуре, S — площадь контура, направление магнитного момента совпадает с направлением нормали . В СИ единица измерения магнитного момента — .

Помещая пробный контур в магнитное поле, обнаружим, что на грани контура действуют силы Ампера. Причем пара сил и , действующих на противоположные грани (рис. 10) направлены таким образом, что стремятся повернуть контур в определенном направлении.

Возникает вращающий момент , зависящий как от свойств магнитного поля в данной точке, так и от свойств контура. Вращающий момент определяется векторным произведением магнитного момента на вектор индукции магнитного поля

Вращающий момент – псевдовектор, направленный вдоль оси вращения таким образом, что с его острия виден переход от вектора магнитного момента к вектору индукции магнитного поля против часовой стрелки. Скалярное значение вращающего момента , где α – угол между и . При α=90° вращающий момент принимает максимальное значение . При α=0° или α=180° вращающий момент М=0. Таким образом, вращение контура будет происходить до тех пор, пока вектора магнитного момента и индукции магнитного поля не совпадут.

Вращение контура с током в магнитном поле используется не только для обнаружения магнитного поля, но и лежит в основе принципа действия электродвигателей и электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы

Электродвигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию в механическую. Пусть рамка с током находится в магнитном поле постоянного магнита в положении, когда угол между вектором магнитного момента и вектором магнитной индукции равен 180° (неустойчивое равновесие), поворачивается на 180 0 вокруг горизонтальной оси. В момент, когда рамка проходит положение устойчивого равновесия (угол между вектором магнитного момента и вектором магнитной индукции равен 0 0 ), коллектор изменяет направление тока в рамке на противоположное. В результате рамка вновь оказывается в положении неустойчивого равновесия и, пройдя по инерции это положение, продолжает вращение в прежнем направлении.

Пример 9. Квадратная проволочная рамка со стороной а=10 см помещена в однородное магнитное поле с индукцией В=1 Тл. Сила тока в рамке I=50 А. Определить потенциальную (механическую) энергию рамки в магнитном поле, если на рамку действует механический момент М=0,25 Н·м.

Дано: а=10 см=0,1 м, В=1 Тл, I=50 А, М=0,25 Н·м

Решение: На контур с током в магнитном поле действует вращающий момент: , где — модуль магнитного момента рамки, — площадь рамки, I – сила тока в рамке, В – индукция магнитного поля, α— угол между вектором магнитного момента и вектором магнитной индукции.

При повороте рамки совершается элементарная механическая работа . Полную работу найдем путем интегрирования .

Читайте также:  Что токе мод в майнкрафте

Механическая работа равна изменению потенциальной энергии, взятой со знаком «-»: . Из сопоставления формул имеем формулу для потенциальной энергии контура с током в магнитном поле .

Источник

Магнитный момент контура с током

Магнитное поле оказывает ориентирующее действие на рамку с током, располагая ее правовинтовую нормаль по отношению к току по полю. При отклонении рамки от этого положения на неё будет действовать вращающий момент. Действительно. На каждую сторону рамки действует сила Ампера направления, которых определится по правилу левой руки, а по модулю .

В данном случае эти силы образуют пару сил, создающих вращающий момент

где — плечо пары сил (см. рисунок). Подставив, выражение силы Ампера, получим . Площадь рамки (площадь поверхности, натянутой на каркас рамки) , тогда .

Эта формула будет сходна с формулой вращательного момента, действующего на электрический диполь, если ввести понятие магнитного момента .

Магнитным моментом контура с током называется векторная величина , равная

где — площадь поверхности, натянутой на контур с током (ограниченной этим контуром), — единичный вектор нормали к этой поверхности, образующей с током правовинтовую систему. Вектора , и взаимно перпендикулярны и образуют правовинтовую тройку, что позволяет записать выражение для вращающего момента в векторном виде

а модуль о вектора равен . Этот результат справедлив не только для рамки с током, но и для любого замкнутого контура с током произвольной формы.

Определим потенциальную энергию контура с током в магнитном поле. Для того чтобы увеличить угол между моментом и индукцией на необходимо совершить работу

Эта работа равна увеличению потенциальной энергии контура с током в магнитном поле

Тогда , или . Константу интегрирования определим из условия: если , то . В этом случае и, следовательно,

. В векторной форме

Минимум энергии соответствует углу , , а максимум энергии соответствует углу , .

Выразив магнитный момент как , можно записать потенциальную энергию контура с током в другом виде . Скалярное произведение есть поток магнитной индукции через поверхность контура, тогда

Внесем теперь плоский контур с током в неоднородное магнитное поле. Предположим, что поле увеличивается быстрее всего в направлении оси , совпадающем с направлением поля в месте расположения центра контура, и магнитный момент контура ориентирован по полю.

Силы , действующие на элементы контура перпендикулярны к векторам и , и образуют симметричный конический веер. Их результирующая сила направлена в сторону возрастания вектора и втягивает контур в область более сильного поля.

Если изменить направление тока на обратное, направление всех сил и их результирующая сила изменят, также свое направление на обратное и контур с током будет выталкиваться из магнитного поля.

Источник

5.7. Контур с током в магнитном поле

Пусть контур с током помещен в магнитное поле, причем он может вращаться вокруг вертикальной оси OO’ (рис. 5.30-1). Силы Ампера, действующие на стороны контура длиной l, перпендикулярны к ним и к магнитному полю и поэтому направлены вертикально: они лишь деформируют контур, стремясь растянуть его. Стороны, имеющие длину a, перпендикулярны B, так что на каждую из них действует сила F = BIa. Эти силы стремятся повернуть контур таким образом, чтобы его плоскость стала ортогональной B.

Рис. 5.30. Силы, действующие на контур с током в магнитном поле:
1 — вид сбоку; 2 — вид сверху (масштаб увеличен)

Видео 5.7. Контур с током в однородном магнитном поле.

Читайте также:  Для чего считают ударный ток

Момент пары сил (рис. 5.30-2) равен

где — плечо пары сил, а — угол между вектором B и стороной l.

Величина, численно равная произведению силы тока I, протекающего в контуре, на площадь контура S = al называется магнитным моментом Pm плоского контура стоком

Таким образом, мы можем записать момент пары сил в виде

Магнитный момент контура с током — векторная величина. Направление Рm совпадает с положительным направлением нормали к плоскости контура, которое определяется правилом винта: если рукоятка вращается по направлению тока в контуре, то поступательное движение винта показывает направление вектора Pm . Введем в формулу (15.36) угол a между векторами Pm и B. Справедливо соотношение

то есть момент сил , действующий на виток с током в однородном магнитном поле, равен векторному произведению магнитного момента витка на вектор индукции магнитного поля (рис. 5.31). При величина момента сил максимальна

Рис. 5.31. Силы, действующие на прямоугольный контур с током в магнитном поле.
Магнитное поле вертикально, а магнитный момент перпендикулярен плоскости контура

Опять-таки прозрачна аналогия с электростатикой: говоря об электрическом диполе, мы получили выражение для момента сил, действующих на него со стороны электрического поля в виде

где — электрический дипольный момент.

В системе СИ единицей измерения магнитного момента контура является ампер на квадратный метр (А · м 2 )

Видео 5.10. «Сознательные катушки»: отталкивание и притяжение параллельных токов и поворот магнитного момента по магнитному полю.

Пример. По тонкому проводу в виде кольца радиусом 30 см течет ток 100 A. Перпендикулярно плоскости кольца возбуждено однородное магнитное поле с магнитной индукцией 20 мТл (рис. 5.32). Найти силу, растягивающую кольцо.

Рис. 5.32. Силы, растягивающие кольцо с током в магнитном поле

Решение. Пусть магнитное поле направлено от нас за плоскость рис. 5.32 (показано крестиками), а ток идет по часовой стрелке. Выделим элемент длины dl, видный из центра под углом На этот элемент действует сила Ампера направленная по радиусу кольца. Кроме того, из-за растяжения кольца на концы элемента действуют силы натяжения F, которые и требуется найти в задаче. Проекция этих сила на радиальное направление равна

Приравнивая эту проекцию силе Ампера, находим

Источник



Физика

Рамка с током (рис. 9.16) обладает магнитным моментом .Рис. 9.16

Модуль магнитного момента контура с током равен произведению силы тока в контуре на площадь, ограниченную этим контуром, —

где I — сила тока в контуре; S — площадь, ограниченная этим контуром.

Направление вектора магнитного момента P → m связано с направлением тока правилом правого винта : поступательное движение правого винта совпадает с направлением магнитного момента при вращении рукоятки винта по направлению тока в контуре.

В Международной системе единиц магнитный момент контура с током измеряется в амперах, умноженных на квадратные метры (1 А ⋅ м 2 ).

Читайте также:  Формулы метода контурных токов

Магнитное поле оказывает ориентирующее действие на помещенную в него рамку с током, т.е. в магнитном поле на рамку с током действует механический вращающий момент .

Величина механического вращающего момента , действующего на рамку с током, помещенную в магнитное поле, равна произведению

где P m — модуль магнитного момента рамки с током, P m = IS ; I — сила тока в рамке; S — площадь рамки; B — модуль вектора магнитной индукции поля; α — угол между векторами P → m и B → .

Направление механического вращающего момента M → определяется правилом правого винта.

В Международной системе единиц механический вращающий момент, действующий на контур с током в магнитном поле, измеряется в ньютонах, умноженных на метр, или в джоулях (1 Н ⋅ м = 1 Дж).

Величина механического вращающего момента зависит от взаимной ориентации рамки и поля, т.е. от взаимного расположения в пространстве векторов P → m и B → :

  • если плоскость рамки перпендикулярна полю, т.е. векторы магнитной индукции и магнитного момента взаимно параллельны ( P → m || B → ), то механический вращающий момент на рамку с током не действует :
  • если плоскость рамки параллельна полю, т.е. векторы магнитной индукции и магнитного момента взаимно-перпендикулярны ( P → m ⊥ B → ), то механический вращающий момент, действующий на рамку с током, имеет максимальное значение :

где B — модуль вектора магнитной индукции поля; I — сила тока в рамке; S — площадь рамки.

Равновесие рамки с током в магнитном поле имеет место в том случае, когда плоскость рамки перпендикулярна полю, т.е. векторы магнитной индукции и магнитного момента параллельны ( P → m | | B → ). В этом случае механический вращающий момент на рамку с током не действует: M = 0.

Равновесие рамки с током в магнитном поле является:

  • устойчивым , если угол α между векторами магнитной индукции поля B → и магнитного момента рамки P → m равен нулю (рис. 9.17): α = 0;Рис. 9.17
  • неустойчивым , если угол α между векторами магнитной индукции поля B → и магнитного момента рамки P → m равен 180° (рис. 9.18): α = 180°.Рис. 9.18

Пример 9. Замкнутый проводящий контур имеет форму квадрата. По контуру протекает электрический ток. Контур растягивают таким образом, что сторона квадрата увеличивается в 1,50 раза, а сила тока в нем остается неизменной. Во сколько раз возрастает при этом числовое значение магнитного момента контура?

Решение. Величина магнитного момента контура с током определяется произведением силы тока и площади, ограниченной этим контуром:

  • в первом случае (до деформации контура)

где I — сила тока в контуре; S 1 — площадь квадрата, ограниченная контуром, до растяжения, S 1 = a 2 ; a — сторона квадрата до деформации контура;

  • во втором случае (после деформации контура)

где S 2 — площадь, ограниченная контуром, после растяжения, S 2 = b 2 ; b — сторона квадрата после деформации контура.

Искомой величиной является отношение

P 2 P 1 = I S 2 I S 1 = S 2 S 1 = b 2 a 2 = ( b a ) 2 .

По условию задачи

следовательно, записанное отношение составляет

P 2 P 1 = ( 1,5 a a ) 2 = 2,25 .

Величина магнитного момента контура с током при заданной деформации возрастет в 2,25 раза.

Источник