Магнитное поле и его свойства. Магнитное поле определение
Магнитное поле – это материальная среда, через которую осуществляется взаимодействие между проводниками с током или движущимися зарядами.
Свойства магнитного поля :
Характеристики магнитного поля :
Для исследования магнитного поля используют пробный контур с током. Он имеет малые размеры, и ток в нём много меньше тока в проводнике, создающем магнитное поле. На противоположные стороны контура с током со стороны магнитного поля действуют силы, равные по величине, но направленные в противоположные стороны, так как направление силы зависит от направления тока. Точки приложения этих сил не лежат на одной прямой. Такие силы называют парой сил . В результате действия пары сил контур не может двигаться поступательно, он поворачивается вокруг своей оси. Вращающее действие характеризуетсямоментом сил .
,
гдеl
–плечо пары
сил
(расстояние между точками приложения
сил).
При увеличении тока в пробном контуре или площади контура пропорционально увеличится момент пары сил. Отношение максимального момента сил, действующего на контур с током, к величине силы тока в контуре и площади контура – есть величина постоянная для данной точки поля. Называется она магнитной индукцией .
,
где
-магнитный момент
контура с током.
Единица измерения магнитной индукции –Тесла [Тл].
Магнитный момент контура – векторная величина, направление которой зависит от направления тока в контуре и определяется поправилу правого винта : правую руку сжать в кулак, четыре пальца направить по направлению тока в контуре, тогда большой палец укажет направление вектора магнитного момента. Вектор магнитного момента всегда перпендикулярен плоскости контура.
За направление вектора магнитной индукции принимают направление вектора магнитного момента контура, ориентированного в магнитном поле.
Линия
магнитной индукции
– линия, касательная
к которой в каждой точке совпадает с
направлением вектора магнитной индукции.
Линии магнитной индукции всегда замкнуты,
никогда не пересекаются.Линии магнитной
индукции прямого проводника
с током
имеют вид окружностей, расположенных
в плоскости, перпендикулярной проводнику.
Направление линий магнитной индукции
определяют по правилу правого винта.Линии магнитной индукции кругового
тока
(витка с током) также имеют вид
окружностей. Каждый элемент витка длиной
можно представить как прямолинейный
проводник, который создаёт своё магнитное
поле. Для магнитных полей выполняется
принцип суперпозиции (независимого
сложения). Суммарный вектор магнитной
индукции кругового тока определяется
как результат сложения этих полей в
центре витка по правилу правого винта.
Если величина и направление вектора магнитной индукции одинаковы в каждой точке пространства, то магнитное поле называют однородным . Если величина и направление вектора магнитной индукции в каждой точке не изменяются с течением времени, то такое поле называютпостоянным.
Величина магнитной индукции в любой точке поля прямо пропорциональна силе тока в проводнике, создающем поле, обратно пропорциональна расстоянию от проводника до данной точки поля, зависит от свойств среды и формы проводника, создающего поле.
,
где
Н/А 2 ; Гн/м– магнитная постоянная
вакуума
,
-относительная магнитная проницаемость
среды
,
-абсолютная магнитная проницаемость
среды
.
В зависимости от величины магнитной проницаемости все вещества разделяют на три класса:
При увеличении абсолютной проницаемости среды увеличивается и магнитная индукция в данной точке поля. Отношение магнитной индукции к абсолютной магнитной проницаемости среды – величина постоянная для данной точки поли, е называют напряжённостью.
.
Векторы напряжённости и магнитной индукции совпадают по направлению. Напряжённость магнитного поля не зависит от свойств среды.
Сила Ампера – сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.
Гдеl
– длина проводника,
- угол между вектором магнитной индукции
и направлением тока.
Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки : левую руку располагают так, чтобы составляющая вектора магнитной индукции, перпендикулярная проводнику, входила в ладонь, четыре вытянутых пальца направить по току, тогда отогнутый на 90 0 большой палец укажет направление силы Ампера.
Результат действия силы Ампера – движение проводника в данном направлении.
Е
сли
= 90 0 , тоF=max,
если
= 0 0 , тоF= 0.
Сила Лоренца – сила действия магнитного поля на движущийся заряд.
,
гдеq– заряд,v– скорость его движения,
- угол между векторами напряжённости и
скорости.
Сила Лоренца всегда перпендикулярна векторам магнитной индукции и скорости. Направление определяют по правилу левой руки (пальцы – по движению положительного заряда). Если направление скорости частицы перпендикулярно линиям магнитной индукции однородного магнитного поля, то частица движется по окружности без изменения кинетической энергии.
Так как направление силы Лоренца зависит от знака заряда, то её используют для разделения зарядов.
Магнитный поток – величина, равная числу линий магнитной индукции, которые проходят через любую площадку, расположенную перпендикулярно линиям магнитной индукции.
,
где
- угол между магнитной индукцией и
нормалью (перпендикуляром) к площадиS.
Единица измерения – Вебер [Вб].
Способы измерения магнитного потока:
Изменение ориентации площадки в магнитном поле (изменение угла)
Изменение площади контура, помещённого в магнитное поле
Изменение силы тока, создающего магнитное поле
Изменение расстояния контура от источника магнитного поля
Изменение магнитных свойств среды.
Ф
арадей
регистрировал электрический ток в
контуре, не содержащим источника, но
находившемся рядом с другим контуром,
содержащим источник. Причём ток в первом
контуре возникал в следующих случаях:
при любом изменении тока в контуре А,
при относительном перемещении контуров,
при внесении в контур А железного
стержня, при движении относительно
контура Б постоянного магнита. Направленное
движение свободных зарядов (ток) возникает
только в электрическом поле. Значит,
изменяющееся магнитное поле порождает
электрическое поле, которое и приводит
в движение свободные заряды проводника.
Это электрическое поле называютиндуцированным
иливихревым
.
Отличия вихревого электрического поля от электростатического:
Источник вихревого поля – изменяющееся магнитное поле.
Линии напряжённости вихревого поля замкнуты.
Работа, совершаемая этим полем по перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю.
Энергетической характеристикой вихревого поля является не потенциал, а ЭДС индукции – величина, равная работе сторонних сил (сил не электростатического происхождения) по перемещению единицы заряда по замкнутому контуру.
.Измеряется в Вольтах
[В].
Вихревое электрическое поле возникает при любом изменении магнитного поля, независимо от того, есть ли проводящий замкнутый контур или его нет. Контур только позволяет обнаружить вихревое электрическое поле.
Электромагнитная индукция – это возникновение ЭДС индукции в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока через его поверхность.
ЭДС индукции в замкнутом контуре порождает индукционный ток.
.
Направление индукционного тока определяют поправилу Ленца : индукционный ток имеет такое направление, что созданное им магнитное поле противодействует любому изменению магнитного потока, породившего этот ток.
Закон Фарадея для электромагнитной индукции : ЭДС индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
Т
оки
Фуко
– вихревые индукционные токи,
возникающие в проводниках больших
размеров, помещённых в изменяющееся
магнитное поле. Сопротивление такового
проводника мало, так как он имеет большое
сечениеS, поэтому токи
Фуко могут быть большими по величине,
в результате чего проводник нагревается.
Самоиндукция – это возникновение ЭДС индукции в проводнике при изменении силы тока в нём.
Проводник с током создаёт магнитное поле. Магнитная индукция зависит от силы тока, следовательно собственный магнитный поток тоже зависит от силы тока.
,
гдеL– коэффициент
пропорциональности,индуктивность
.
Единица измерения индуктивности – Генри [Гн].
Индуктивность проводника зависит от его размеров, формы и магнитной проницаемости среды.
Индуктивность увеличивается при увеличении длины проводника, индуктивность витка больше индуктивности прямого проводника такой же длины, индуктивность катушки (проводника с большим числом витков) больше индуктивности одного витка, индуктивность катушки увеличивается, если в неё вставить железный стержень.
Закон Фарадея для самоиндукции
:
.
ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока.
ЭДС самоиндукции порождает ток самоиндукции, который всегда препятствует любому изменению тока в цепи, то есть, если ток увеличивается, ток самоиндукции направлен в противоположную сторону, при уменьшении тока в цепи, ток самоиндукции направлен в ту же сторону. Чем больше индуктивность катушки, тем больше ЭДС самоиндукции возникает в ней.
Энергия магнитного поля равна работе, которую совершает ток для преодоления ЭДС самоиндукции за время, пока ток возрастает от нуля до максимального значения.
.
Электромагнитные колебания – это периодические изменения заряда, силы тока и всех характеристик электрического и магнитного полей.
Электрическая колебательная система (колебательный контур) состоит из конденсатора и катушки индуктивности.
Условия возникновения колебаний :
Систему надо вывести из состояния равновесия, для этого сообщают заряд конденсатору. Энергия электрического поля заряженного конденсатора:
.
Система должна возвращаться в состояние равновесия. Под действием электрического поля заряд переходит с одной пластины конденсатора на другую, то есть в цепи возникает электрический ток, которые идёт по катушке. При увеличении тока в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, ток самоиндукции направлен в противоположную сторону. Когда ток в катушке уменьшается, ток самоиндукции направлен в ту же сторону. Таким образом, ток самоиндукции стремиться возвратить систему к состоянию равновесия.
Электрическое сопротивление цепи должно быть малым.
Идеальный колебательный контур не имеет сопротивления. Колебания в нём называютсвободными.
Для любой электрической цепи выполняется закон Ома, согласно которому ЭДС, действующая в контуре, равна сумме напряжений на всех участках цепи. В колебательном контуре источника тока нет, но в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, которая равна напряжению на конденсаторе.
Вывод: заряд конденсатора изменяется по гармоническому закону .
Напряжение
на конденсаторе
:
.
Сила
тока в контуре
:
.
Величина
- амплитуда силы тока.
Отличие от заряда на
.
Период свободных колебаний в контуре
:
Энергия электрического поля конденсатора
:
Энергия магнитного поля катушки
:
Энергии электрического и магнитного полей изменяются по гармоническому закону, но фазы их колебаний разные: когда энергия электрического поля максимальна, энергия магнитного поля равна нулю.
Полная энергия колебательной системы
:
.
В идеальном контуре полная энергия не изменяется.
В процессе колебаний энергия электрического поля полностью превращается в энергию магнитного поля и наоборот. Значит энергия в любой момент времени равна или максимальной энергии электрического поля, или максимальной энергии магнитного поля.
Реальный колебательный контур содержит сопротивление. Колебания в нём называютзатухающими.
Закон Ома примет вид:
При условии что затухание мало (квадрат собственной частоты колебаний много больше квадрата коэффициента затухания) логарифмический декремент затухания:
При сильном затухании (квадрат собственной частоты колебаний меньше квадрата коэффициента колебаний):
Это уравнение описывает процесс разрядки конденсатора на резистор. При отсутствии индуктивности колебаний не возникнет. По такому закону изменяется и напряжение на обкладках конденсатора.
Полная энергия в реальном контуре уменьшается, так как на сопротивлениеRпри прохождении тока выделяется теплота.
Переходный процесс
– процесс,
возникающий в электрических цепях при
переходе от одного режима работы к
другому. Оценивается временем (
),
в течение которого параметр, характеризующий
переходный процесс изменится в е раз.
Для контура с конденсатором и резистором
:
.
Теория Максвелла об электромагнитном поле :
1 положение:
Всякое переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное. Переменное электрическое поле было названо Максвеллом током смещения, так как оно подобно обычному току вызывает магнитное поле.
Для обнаружения тока смещения рассматривают прохождение тока по системе, в которую включён конденсатор с диэлектриком.
Плотность тока смещения
:
.
Плотность тока направлена в сторону
изменения напряжённости.
Первое уравнение Максвелла
:
- вихревое магнитное поле порождается
как токами проводимости (движущимися
электрическими зарядами) так и токами
смещения (переменным электрическим
полем Е).
2 положение:
Всякое переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле – основной закон электромагнитной индукции.
Второе уравнение Максвелла
:
- связывает скорость изменения магнитного
потока сквозь любую поверхность и
циркуляцию вектора напряжённости
электрического поля, возникающего при
этом.
Любой проводник с током создаёт в пространстве магнитное поле . Если ток постоянный (не изменяется с течением времени), то и связанное с ним магнитное поле тоже постоянное. Изменяющийся ток создаёт изменяющиеся магнитное поле. Внутри проводника с током существует электрическое поле. Следовательно, изменяющееся электрическое поле создаёт изменяющееся магнитное поле.
Магнитное поле вихревое, так как линии
магнитной индукции всегда замкнуты.
Величина напряженности магнитного поля
Н пропорциональна скорости изменения
напряжённости электрического поля
.
Направление вектора напряжённости
магнитного поля
связано с изменением напряжённости
электрического поля
правилом правого винта: правую руку
сжать в кулак, большой палец направить
в сторону изменения напряжённости
электрического поля, тогда согнутые 4
пальца укажут направление линий
напряжённости магнитного поля.
Любое изменяющееся магнитное поле создаёт вихревое электрическое поле , линии напряжённости которого замкнуты и расположены в плоскости, перпендикулярной напряжённости магнитного поля.
Величина напряжённости Е вихревого
электрического поля зависит от скорости
изменения магнитного поля
.
Направление вектора Е связано с
направлением изменения магнитного пол
Н правилом левого винта: левую руку
сжать в кулак, большой палец направить
в сторону изменения магнитного поля,
согнутые четыре пальца укажут направление
линий напряжённости вихревого
электрического поля.
Совокупность связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей представляют электромагнитное поле . Электромагнитное поле не остаётся в месте зарождения, а распространяется в пространстве в виде поперечной электромагнитной волны.
Электромагнитная волна – это распространение в пространстве связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей.
Условие возникновения электромагнитной волны – движение заряда с ускорением.
Уравнение электромагнитной волны :
- циклическая частота электромагнитных
колебаний
t– время от начала колебаний
l– расстояние от источника волны до данной точки пространства
- скорость распространения волны
Время движения волны от источника до данной точки.
Векторы Е и Н в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и скорости распространения волны.
Источник электромагнитных волн – проводники, по которым протекают быстропеременные токи (макроизлучатели), а также возбуждённые атомы и молекулы (микроизлучатели). Чем больше частота колебаний, тем лучше излучаются в пространстве электромагнитные волны.
Свойства электромагнитных волн:
Все электромагнитные волны – поперечные
В однородной среде электромагнитные волны распространяются с постоянной скоростью , которая зависит от свойств среды:
- относительная диэлектрическая
проницаемость среды
- диэлектрическая постоянная вакуума,
Ф/м,
Кл 2 /нм 2
- относительная магнитная проницаемость
среды
- магнитная постоянная вакуума,
Н/А 2 ; Гн/м
Электромагнитные волны отражаются от препятствий, поглощаются, рассеиваются, преломляются, поляризуются, дифрагируют, интерферируют .
Объёмная плотность энергии электромагнитного поля складывается из объёмных плотностей энергии электрического и магнитного полей:
Плотность потока энергии волн – интенсивность волны :
-вектор Умова-Пойнтинга
.
Все электромагнитные волны расположены
в ряд по частотам или длинам волн (
).
Этот ряд –шкала электромагнитных
волн
.
Низкочастотные колебания . 0 – 10 4 Гц. Получают в генераторах. Они плохо излучаются
Радиоволны . 10 4 – 10 13 Гц. Излучаются твёрдыми проводниками, по которым проходят быстропеременные токи.
Инфракрасное излучение – волны, излучаемые всеми телами при температуре свыше 0 К, благодаря внутриатомным и внутри молекулярным процессам.
Видимый свет – волны, оказывающие действие на глаз, вызывая зрительное ощущение. 380-760 нм
Ультрафиолетовое излучение . 10 – 380 нм. Видимый свет и УФ возникают при изменении движения электронов внешних оболочек атома.
Рентгеновское излучение . 80 – 10 -5 нм. Возникает при изменении движения электронов внутренних оболочек атома.
Гамма-излучение . Возникает при распаде ядер атомов.
Магнитные поля возникают в природе и могут создаваться искусственно. Человек заметил их полезные характеристики, которые научился применять в повседневной жизни. Что же является источником магнитного поля?
Как развивалось учение о магнитном поле
Магнитные свойства некоторых веществ были замечены еще в древности, но по-настоящему их изучение началось в средневековой Европе. Используя мелкие стальные иголки, ученый из Франции Перегрин обнаружил пересечение силовых магнитных линий в определенных пунктах – полюсах. Только через три века, руководствуясь этим открытием, Гилберт продолжил его изучение и впоследствии защищал свою гипотезу, что Земля обладает собственным магнитным полем.
Бурное развитие теории магнетизма началось с начала 19-го века, когда Ампер обнаружил и описал влияние электрического поля на возникновение магнитного, а открытие Фарадеем электромагнитной индукции установило и обратную взаимосвязь.
Что такое магнитное поле
Магнитное поле проявляется в силовом воздействии на электрозаряды, находящиеся в движении, или на тела, у которых имеется магнитный момент.
- Проводники, по которым проходит электрический ток;
- Постоянные магниты;
- Изменяющееся электрическое поле.
Первопричина возникновения магнитного поля идентична для всех источников: электрические микрозаряды – электроны, ионы или протоны обладают собственным магнитным моментом либо находятся в направленном движении.
Важно! Взаимно порождают друг друга электрические и магнитные поля, меняющиеся с течением времени. Эта взаимосвязь определяется уравнениями Максвелла.
Характеристики магнитного поля
Характеристиками магнитного поля являются:
- Магнитный поток, скалярная величина, определяющая, сколько силовых линий магнитного поля проходит через заданное сечение. Обозначается буквой F. Рассчитывается по формуле:
F = B x S x cos α,
где В – вектор магнитной индукции, S – сечение, α – угол наклона вектора к перпендикуляру, проведенному к плоскости сечения. Единица измерения – вебер (Вб);
- Вектор магнитной индукции (В) показывает силу, действующую на зарядоносители. Он направлен в сторону северного полюса, куда указывает обычная магнитная стрелка. Количественно магнитную индукцию измеряют в теслах (Тл);
- Напряженность МП (Н). Определяется магнитной проницаемостью различных сред. В вакууме проницаемость принимается за единицу. Направление вектора напряженности совпадает с направлением магнитной индукции. Единица измерения – А/м.
Как представить магнитное поле
Легко видеть проявления магнитного поля на примере постоянного магнита. Он имеет два полюса, и в зависимости от ориентации два магнита притягиваются или отталкиваются. Магнитное поле характеризует процессы, происходящие при этом:
- МП математически описывается, как векторное поле. Оно может быть построено посредством многих векторов магнитной индукции В, каждый из которых направлен в сторону северного полюса стрелки компаса и имеет длину, зависящую от магнитной силы;
- Альтернативный способ представления заключается в использовании силовых линий. Эти линии никогда не пересекаются, нигде не начинаются и не останавливаются, образуя замкнутые петли. Линии МП объединяются в области с более частым расположением, где магнитное поле является самым сильным.
Важно! Плотность силовых линий указывает на прочность магнитного поля.
Хотя в действительности МП видеть нельзя, силовые линии легко визуализировать в реальном мире, расположив железные опилки в МП. Каждая частица ведет себя как крошечный магнит с северным и южным полюсом. Результатом является шаблон, похожий на силовые линии. Ощутить воздействие МП человек не способен.
Измерение магнитного поля
Так как это величина векторная, для измерения МП существует два параметра: сила и направление. Направление легко измерить с помощью компаса, соединенного с полем. Пример – компас, помещенный в магнитное поле Земли.
Измерение других характеристик значительно сложнее. Практические магнитометры появились только в 19-м веке. Большинство из них работают, используя силу, которую электрон чувствует при движении по МП.
Очень точное измерение малых магнитных полей стало практически осуществимо с момента открытия в 1988 году гигантского магнитосопротивления в слоистых материалах. Это открытие в фундаментальной физике было быстро применено к магнитной технологии жесткого диска для хранения данных на компьютерах, приведшее к тысячекратному увеличению емкости хранилища всего за несколько лет.
В общепринятых системах измерений МП измеряется в тестах (Тл) или в гауссах (Гс). 1 Тл = 10000 Гс. Гаусс часто используется, потому что Тесла – слишком большое поле.
Интересно. Маленький магнит на холодильнике создает МП, равное 0,001 Тл, а магнитное поле Земли в среднем – 0,00005 Тл.
Природа возникновения магнитного поля
Магнетизм и магнитные поля являются проявлениями электромагнитной силы. Есть два возможных способа, как организовать энергозаряд в движении и, следовательно, магнитное поле.
Первый – это подсоединить провод к источнику тока, вокруг него образуется МП.
Важно! По мере увеличения тока (количества зарядов в движении) пропорционально увеличивается МП. При удалении от провода поле снижается в зависимости от расстояния. Это описывается законом Ампера.
Некоторые материалы, имеющие более высокую магнитопроницаемость, способны концентрировать магнитные поля.
Поскольку магнитное поле – это вектор, необходимо определить его направление. Для обычного тока, протекающего через прямой провод, направление можно найти по правилу правой руки.
Чтобы использовать правило, надо представить, что провод обхвачен правой рукой, а большой палец указывает направление тока. Тогда четыре остальных пальца покажут направление вектора магнитной индукции вокруг проводника.
Второй способ создания МП – использование факта, что в некоторых веществах появляются электроны, обладающие собственным магнитным моментом. Так работают постоянные магниты:
- Хотя атомы часто имеют много электронов, они в основном соединяются так, что полное магнитное поле пары компенсируется. Говорят, что два электрона, спаренные таким образом, имеют противоположный спин. Поэтому, чтобы что-то намагнитить, нужны атомы, которые имеют один или несколько электронов с одинаковым спином. Например, железо имеет четыре таких электрона и подходит для изготовления магнитов;
- Миллиарды электронов, находящиеся в атомах, могут быть случайно ориентированы, и общего МП не будет, независимо от того, сколько неспаренных электронов имеет материал. Он должен быть стабильным при невысокой температуре, чтобы обеспечить общую предпочтительную ориентацию электронов. Высокая магнитопроницаемость обуславливает намагничивание таких веществ при определенных условиях вне влияния МП. Это ферромагнетики;
- Другие материалы могут проявлять магнитные свойства при наличии внешнего МП. Внешнее поле служит для выравнивания всех электронных спинов, которое исчезает после удаления МП. Это вещества – парамагнетики. Металл двери холодильника является примером парамагнетика.
Землю можно представить в виде конденсаторных обкладок, заряд которых имеет противоположный знак: «минус» – у земной поверхности и «плюс» – в ионосфере. Между ними находится атмосферный воздух в качестве изоляционной прокладки. Гигантский конденсатор сохраняет постоянный заряд, благодаря влиянию земного МП. Пользуясь этими знаниями, можно создать схему получения электро энергии из магнитного поля Земли. Правда, в результате будут невысокие значения напряжения.
Нужно взять:
- заземляющее устройство;
- провод;
- трансформатор Теслы, способный генерировать высокочастотные колебания и создавать коронный разряд, ионизируя воздух.
Катушка Теслы будет выступать в роли эмиттера электронов. Вся конструкция соединяется вместе, причем для обеспечения достаточной разности потенциалов трансформатор должен быть поднят на значительную высоту. Таким образом, будет создана электрическая цепь, по которой будет протекать маленький ток. Получить большое количество электроэнергии, пользуясь этим устройством, невозможно.
Электричество и магнетизм доминируют во многих мирах, окружающих человека: от самых фундаментальных процессов в природе до ультрасовременных электронных устройств.
Видео
Тема: Магнитное поле
Подготовил: Байгарашев Д.М.
Проверила: Габдуллина А.Т.
Магнитное Поле
Если два параллельно расположенных проводника подсоединить к источнику тока так, чтобы по ним прошел электрический ток, то в зависимости от направления тока в них проводники либо отталкиваются, либо притягиваются.
Объяснение этого явления возможно с позиции возникновения вокруг проводников особого вида материи - магнитного поля.
Силы, с которыми взаимодействуют проводники с током, называются магнитными .
Магнитное поле - это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела.
История магнетизма уходит корнями в глубокую древность, к античным цивилизациям Малой Азии. Именно на территории Малой Азии, в Магнезии, находили горную породу, образцы которой притягивались друг к другу. По названию местности такие образцы и стали называть "магнетиками". Любой магнит в форме стержня или подковы имеет два торца, которые называются полюсами; именно в этом месте сильнее всего и проявляются его магнитные свойства. Если подвесить магнит на нитке, один полюс всегда будет указывать на север. На этом принципе основан компас. Обращенный на север полюс свободно висящего магнита называется северным полюсом магнита (N). Противоположный полюс называется южным полюсом (S).
Магнитные полюсы взаимодействуют друг с другом: одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Аналогично концепции электрического поля, окружающего электрический заряд, вводят представление о магнитном поле вокруг магнита.
В 1820 г. Эрстед (1777-1851) обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная рядом с электрическим проводником, отклоняется, когда по проводнику течет ток, т. е. вокруг проводника с током создается магнитное поле. Если взять рамку с током, то внешнее магнитное поле взаимодействует с магнитным полем рамки и оказывает на нее ориентирующее действие, т. е. существует такое положение рамки, при котором внешнее магнитное поле оказывает на нее максимальное вращающее действие, и существует положение, когда вращающий момент сил равен нулю.
Магнитное поле в любой точке можно охарактеризовать вектором В, который называетсявектором магнитной индукции или магнитной индукцией в точке.
Магнитная индукция В - это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в точке. Она равна отношению максимального механического момента сил, действующих на рамку с током, помещенную в однородное поле, к произведению силы тока в рамке на ее площадь:
За направление вектора магнитной индукции В принимается направление положительной нормали к рамке, которое связано с током в рамке правилом правого винта, при механическом моменте, равном нулю.
Точно так же, как изображали линии напряженности электрического поля, изображают линии индукции магнитного поля. Линия индукции магнитного поля - воображаемая линия, касательная к которой совпадает с направлением В в точке.
Направления магнитного поля в данной точке можно определить еще как направление, которое указывает
северный полюс стрелки компаса, помещенный в эту точку. Считают, что линии индукции магнитного поля направлены от северного полюса к южному.
Направление линий магнитной индукции магнитного поля, созданного электрическим током, который течет по прямолинейному проводнику, определяется правилом буравчика или правого винта. За направление линий магнитной индукции принимается направление вращения головки винта, которое обеспечивало бы поступательное его движение по направлению электрического тока (рис. 59).
где n 01 = 4Пи 10 -7 В с/(А м). - магнитная постоянная, R - расстояние, I - сила тока в проводнике.
В отличие от линий напряженности электростатического поля, которые начинаются на положительном заряде и оканчиваются на отрицательном, линии индукции магнитного поля всегда замкнуты. Магнитного заряда аналогично электрическому заряду не обнаружено.
За единицу индукции принимается одна тесла (1 Тл) - индукция такого однородного магнитного поля, в котором на рамку площадью 1 м 2 , по которой течет ток в 1 А, действует максимальный вращающий механический момент сил, равный 1 Н м.
Индукцию магнитного поля можно определить и по силе, действующей на проводник с током в магнитном поле.
На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера, величина которой определяется следующим выражением:
где I - сила тока в проводнике, l - длина проводника, В - модуль вектора магнитной индукции, а - угол между вектором и направлением тока.
Направление силы Ампера можно определить по правилу левой руки: ладонь левой руки располагаем так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре пальца располагаем по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец показывает направление силы Ампера.
Учитывая, что I = q 0 nSv, и подставляя это выражение в (3.21), получим F = q 0 nSh/B sin a . Число частиц (N) в заданном объеме проводника равно N = nSl, тогда F = q 0 NvB sin a .
Определим силу, действующую со стороны магнитного поля на отдельную заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле:
Эту силу называют силой Лоренца (1853-1928). Направление силы Лоренца можно определить по правилу левой руки: ладонь левой руки располагаем так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре пальца показывали направление движения положительного заряда, большой отогнутый палец покажет направление силы Лоренца.
Сила взаимодействия между двумя параллельными проводниками, по которым текут токи I 1 и I 2 равна:
где l - часть проводника, находящаяся в магнитном поле. Если токи одного направления, то проводники притягиваются (рис. 60), если противоположного направления - отталкиваются. Силы, действующие на каждый проводник, равны по модулю, противоположны по направлению. Формула (3.22) является основной для определения единицы силы тока 1 ампер (1 А).
Магнитные свойства вещества характеризует скалярная физическая величина - магнитная проницаемость, показывающая во сколько раз индукция В магнитного поля в веществе, полностью заполняющем поле, отличается по модулю от индукции В 0 магнитного поля в вакууме:
По своим магнитным свойствам все вещества делятся на диамагнитные, парамагнитные иферромагнитные .
Рассмотрим природу магнитных свойств веществ.
Электроны в оболочке атомов вещества движутся по различным орбитам. Для упрощения считаем эти орбиты круговыми, и каждый электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, можно рассматривать как круговой электрический ток. Каждый электрон, как круговой ток, создает магнитное поле, которое назовем орбитальным. Кроме того, у электрона в атоме есть собственное магнитное поле, называемое спиновым.
Если при внесении во внешнее магнитное поле с индукцией В 0 внутри вещества создается индукция В < В 0 , то такие вещества называются диамагнитными (n < 1).
В диамагнитных материалах при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные поля электронов скомпенсированы, и при внесении их в магнитное поле индукция магнитного поля атома становится направленной против внешнего поля. Диамагнетик выталкивается из внешнего магнитного поля.
У парамагнитных материалов магнитная индукция электронов в атомах полностью не скомпенсирована, и атом в целом оказывается подобен маленькому постоянному магниту. Обычно в веществе все эти маленькие магниты ориентированы произвольно, и суммарная магнитная индукция всех их полей равна нулю. Если поместить парамагнетик во внешнее магнитное поле, то все маленькие магниты - атомы повернутся во внешнем магнитном поле подобно стрелкам компаса и магнитное поле в веществе усиливается (n >= 1).
Ферромагнитными называются такие материалы, в которых n " 1. В ферромагнитных материалах создаются так называемые домены, макроскопические области самопроизвольного намагничивания.
В разных доменах индукции магнитных полей имеют различные направления (рис. 61) и в большом кристалле
взаимно компенсируют друг друга. При внесении ферромагнитного образца во внешнее магнитное поле происходит смещение границ отдельных доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается.
С увеличением индукции внешнего поля В 0 возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. При некоторых значениях В 0 индукция прекращает резкий рост. Это явление называется магнитным насыщением.
Характерная особенность ферромагнитных материалов - явление гистерезиса, которое заключается в неоднозначной зависимости индукции в материале от индукции внешнего магнитного поля при его изменении.
Петля магнитного гистерезиса - замкнутая кривая (cdc`d`c), выражающая зависимость индукции в материале от амплитуды индукции внешнего поля при периодическом достаточно медленном изменении последнего (рис. 62).
Петля гистерезиса характеризуется следующими величинами B s , B r , B c . B s - максимальное значение индукции материала при В 0s ; В r - остаточная индукция, равная значению индукции в материале при уменьшении индукции внешнего магнитного поля от B 0s до нуля; -В с и В с - коэрцитивная сила - величина, равная индукции внешнего магнитного поля, необходимого для изменения индукции в материале от остаточной до нуля.
Для каждого ферромагнетика существует такая температура (точка Кюри (Ж. Кюри, 1859-1906), выше которой ферромагнетик утрачивает свои ферромагнитные свойства.
Существует два способа приведения намагниченного ферромагнетика в размагниченное состояние: а) нагреть выше точки Кюри и охладить; б) намагничивать материал переменным магнитным полем с медленно убывающей амплитудой.
Ферромагнетики, обладающие малой остаточной индукцией и коэрцитивной силой, называются магнитомягкими. Они находят применение в устройствах, где ферромагнетику приходится часто перемагничиваться (сердечники трансформаторов, генераторов и др.).
Магнитожесткие ферромагнетики, обладающие большой коэрцитивной силой, применяются для изготовления постоянных магнитов.
Магнитное поле это материя, которая возникает вокруг источников электрического тока, а также вокруг постоянных магнитов. В пространстве магнитное поле отображается как совокупление сил, которые способны оказать воздействие на намагниченные тела. Это действие объясняется наличием движущих разрядов на молекулярном уровне.
Магнитное поле формируется только вокруг электрических зарядов, которые находятся в движении. Именно поэтому магнитное и электрическое поле являются, неотъемлемыми и вместе формируют электромагнитное поле . Компоненты магнитного поля взаимосвязаны и воздействуют друг на друга, изменяя свои свойства.
Свойства магнитного поля:
1. Магнитное поле возникает под воздействие движущих зарядов электрического тока.
2. В любой своей точке магнитное поле характеризуется вектором физической величины под названием магнитная индукция
, которая является силовой характеристикой магнитного поля.
3. Магнитное поле может воздействовать только на магниты, на токопроводящие проводники и движущиеся заряды.
4. Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа
5. Магнитное поле измеряется только специальными приборами и не может быть воспринятым органами чувств человека.
6. Магнитное поля является электродинамическим, так как порождается только при движении заряженных частиц и оказывает влияние только на заряды, которые находятся в движении.
7. Заряженные частицы двигаются по перпендикулярной траектории.
Размер магнитного поля зависит от скорости изменения магнитного поля. Соответственно этому признаку существуют два вида магнитного поля: динамичное магнитное поле
и гравитационное магнитное поле
. Гравитационное магнитное поле
возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей строения этих частиц.
Магнитный момент
возникает в том случае, когда магнитное поле воздействует на токопроводящую раму. Другими словами, магнитный момент это вектор, который расположен на ту линию, которая идет перпендикулярно раме.
Магнитное поле можно изобразить графически с помощью магнитных силовых линий. Эти линии проводятся в таком направлении, так чтобы направление сил поля совпало с направлением самой силовой линии. Магнитные силовые линии являются непрерывными и замкнутыми одновременно.
Направление магнитного поля определяется с помощью магнитной стрелки. Силовые линии определяют также полярность магнита, конец с выходом силовых линий это северный полюс, а конец, с входом этих линий, это южный полюс.
Очень удобно наглядно оценить магнитное поле с помощью обычных железных опилок и листка бумаги.
Если мы на постоянный магнит положим лист бумаги, а сверху насыпим опилок, то частички железа выстроятся соответственно силовым линиям магнитного поля.
Направление силовых линий для проводника удобно определять по знаменитому правилу буравчика
или правилу правой руки
. Если мы обхватим проводник рукой так, чтобы большой палец смотрел по направлению тока(от минуса к плюсу), то 4 оставшиеся пальцы покажут нам направление силовых линий магнитного поля.
А направление силы Лоренца - силы, с которой действует магнитное поле на заряженную частицу или проводник с током, по правилу левой руки
.
Если мы расположим левую руку в магнитном поле так, что 4 пальца смотрели по направлению тока в проводнике, а силовые линии входили в ладонь, то большой палец укажет направление силы Лоренца, силы действующей на проводник помещенный в магнитное поле.
На этом собственно всё. Появившиеся вопросы обязательно задавайте в комментариях.
Магнитное поле и его характеристики. При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле . Магнитное поле представляет собой один из видов материи. Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю (рис. 34). Магнитное поле образуется только вокруг движущихся электрических зарядов, и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды. Магнитное и электрические поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле . Всякое изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля и, наоборот, всякое изменение магнитного поля сопровождается возникновением электрического поля. Электромагнитное поле распространяется со скоростью света, т. е. 300 000 км/с.
Графическое изображение магнитного поля. Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми линиями, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля; магнитные силовые линии всегда являются непрерывными и замкнутыми. Направление магнитного поля в каждой точке может быть определено при помощи магнитной стрелки. Северный полюс стрелки всегда устанавливается в направлении действия сил поля. Конец постоянного магнита, из которого выходят силовые линии (рис. 35, а), принято считать северным полюсом, а противоположный конец, в который входят силовые линии,- южным полюсом (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны). Распределение силовых линий между полюсами плоского магнита можно обнаружить при помощи стальных опилок, насыпанных на лист бумаги, положенный на полюсы (рис. 35, б). Для магнитного поля в воздушном зазоре между двумя параллельно расположенными разноименными полюсами постоянного магнита характерно равномерное распределение силовых магнитных линий (рис. 36) (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны).
Рис. 37. Магнитный поток, пронизывающий катушку при перпендикулярном (а) и наклонном (б) ее положениях по отношению к направлению магнитных силовых линий.
Для более наглядного изображения магнитного поля силовые линии располагают реже или гуще. В тех местах, где магнитное роле сильнее, силовые линии располагают ближе друг к другу, там же, где оно слабее,- дальше друг от друга. Силовые линии нигде не пересекаются.
Во многих случаях удобно рассматривать магнитные силовые линии как некоторые упругие растянутые нити, которые стремятся сократиться, а также взаимно отталкиваются друг от друга (имеют взаимный боковой распор). Такое механическое представление о силовых линиях позволяет наглядно объяснить возникновение электромагнитных сил при взаимодействии магнитного поля и Проводника с током, а также двух магнитных полей.
Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток, магнитная проницаемость и напряженность магнитного поля.
Магнитная индукция и магнитный поток. Интенсивность магнитного поля, т. е.способность его производить работу, определяется величиной, называемой магнитной индукцией. Чем сильнее магнитноe поле, созданное постоянным магнитом или электромагнитом, тем большую индукцию оно имеет. Магнитную индукцию В можно характеризовать плотностью силовых магнитных линий, т. е. числом силовых линий, проходящих через площадь 1 м 2 или 1 см 2 , расположенную перпендикулярно магнитному полю. Различают однородные и неоднородные магнитные поля. В однородном магнитном поле магнитная индукция в каждой точке поля имеет одинаковое значение и направление. Однородным может считаться поле в воздушном зазоре между разноименными полюсами магнита или электромагнита (см.рис.36) при некотором удалении от его краев. Магнитный поток Ф, проходящий через какую-либо поверхность, определяется общим числом магнитных силовых линий, пронизывающих эту поверхность, например катушку 1 (рис. 37, а), следовательно, в однородном магнитном поле
Ф = BS (40)
где S - площадь поперечного сечения поверхности, через которую проходят магнитные силовые линии. Отсюда следует, что в таком поле магнитная индукция равна потоку, поделенному на площадь S поперечного сечения:
B = Ф /S (41)
Если какая-либо поверхность расположена наклонно по отношению к направлению магнитных силовых линий (рис. 37, б), то пронизывающий ее поток будет меньше, чем при перпендикулярном ее положении, т. е. Ф 2 будет меньше Ф 1 .
В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб), эта единица имеет размерность В*с (вольт-секунда). Магнитная индукция в системе единиц СИ измеряется в теслах (Тл); 1 Тл = 1 Вб/м 2 .
Магнитная проницаемость.
Магнитная индукция зависит не только от силы тока, проходящего по прямолинейному проводнику или катушке, но и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, служит абсолютная магнитная проницаемость? а. Единицей ее измерения является генри на метр (1 Гн/м = 1 Ом*с/м).
В среде с большей магнитной проницаемостью электрический ток определенной силы создает магнитное поле с большей индукцией. Установлено, что магнитная проницаемость воздуха и всех веществ, за исключением ферромагнитных материалов (см. § 18), имеет примерно то же значение, – что и магнитная проницаемость вакуума. Абсолютную магнитную проницаемость вакуума называют магнитной постоянной, ? о = 4?*10 -7 Гн/м. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов в тысячи и даже десятки тысяч раз больше магнитной проницаемости неферромагнитных веществ. Отношение магнитной проницаемости? а какого-либо вещества к магнитной проницаемости вакуума? о называют относительной магнитной проницаемостью:
? = ? а /? о (42)
Напряженность магнитного поля. Напряженность И не зависит от магнитных свойств среды, но учитывает влияние силы тока и формы проводников на интенсивность магнитного поля в данной точке пространства. Магнитная индукция и напряженность связаны отношением
H = B/? а = B/(?? о) (43)
Следовательно, в среде с неизменной магнитной проницаемостью индукция магнитного поля пропорциональна его напряженности.
Напряженность магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м) или амперах на сантиметр (А/см).