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.
Подобно тому, как покоящийся электрический заряд действует на другой заряд посредством электрического поля, электрический ток действует на другой ток посредством магнитного поля . Действие магнитного поля на постоянные магниты сводится к действию его на заряды, движущиеся в атомах вещества и создающие микроскопические круговые токи.
Учение об электромагнетизме основано на двух положениях:
Постоянный магнит (или магнитная стрелка) ориентируется вдоль магнитного меридиана Земли. Тот его конец, который указывает на север, называется северным полюсом (N), а противоположный конец - южным полюсом (S). Приближая два магнита друг к другу, заметим, что одноименные их полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются (рис. 1 ).
Если разделить полюса, разрезав постоянный магнит на две части, то мы обнаружим, что каждая из них тоже будет иметь два полюса , т. е. будет постоянным магнитом (рис. 2 ). Оба полюса - северный и южный, - неотделимые друг от друга, равноправны.
Магнитное поле, создаваемое Землей или постоянными магнитами, изображается, подобно электрическому полю, магнитными силовыми линиями. Картину силовых линий магнитного поля какого-либо магнита можно получить, помещая над ним лист бумаги, на котором насыпаны равномерным слоем железные опилки. Попадая в магнитное поле, опилки намагничиваются - у каждой из них появляется северный и южный полюсы. Противоположные полюсы стремятся сблизиться друг с другом, но этому мешает трение опилок о бумагу. Если постучать по бумаге пальцем, трение уменьшится и опилки притянутся друг к другу, образуя цепочки, изображающие линии магнитного поля.
На рис. 3 показано расположение в поле прямого магнита опилок и маленьких магнитных стрелок, указывающих направление линий магнитного поля. За это направление принято направление северного полюса магнитной стрелки.
В начале XIX в. датский ученый Эрстэд сделал важное открытие, обнаружив действие электрического тока на постоянные магниты . Он поместил длинный провод вблизи магнитной стрелки. При пропускании по проводу тока стрелка поворачивалась, стремясь расположиться перпендикулярно ему (рис. 4 ). Это можно было объяснить возникновением вокруг проводника магнитного поля.
Магнитные силовые линии поля, созданного прямым проводником с током, представляют собой концентрические окружности, расположенные в перпендикулярной к нему плоскости, с центрами в точке, через которую проходит ток (рис. 5 ). Направление линий определяется правилом правого винта:
Если винт вращать по направлению линий поля, он будет двигаться в направлении тока в проводнике .
Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B . В каждой точке он направлен по касательной к линии поля. Линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных, а сила, действующая в этом поле на заряд, направлена по касательной к линии в каждой ее точке. В отличие от электрического, линии магнитного поля замкнуты, что связано с отсутствием в природе «магнитных зарядов».
Магнитное поле тока принципиально ничем не отличается от поля, созданного постоянным магнитом. В этом смысле аналогом плоского магнита является длинный соленоид - катушка из провода, длина которой значительно больше ее диаметра. Схема линий созданного им магнитного поля, изображенная на рис. 6 , аналогична таковой для плоского магнита (рис. 3 ). Кружочками обозначены сечения провода, образующего обмотку соленоида. Токи, текущие по проводу от наблюдателя, обозначены крестиками, а токи противоположного направления - к наблюдателю - обозначены точками. Такие же обозначения приняты и для линий магнитного поля, когда они перпендикулярны плоскости чертежа (рис. 7 а, б).
Направление тока в обмотке соленоида и направление линий магнитного поля внутри него также связаны правилом правого винта, которое в этом случае формулируется так:
Если смотреть вдоль оси соленоида, то текущий по направлению часовой стрелки ток создает в нем магнитное поле, направление которого совпадает с направлением движения правого винта (рис. 8 )
Исходя из этого правила, легко сообразить, что у соленоида, изображенного на рис. 6 , северным полюсом служит правый его конец, а южным - левый.
Магнитное поле внутри соленоида является однородным - вектор магнитной индукции имеет там постоянное значение (B = const). В этом отношении соленоид подобен плоскому конденсатору, внутри которого создается однородное электрическое поле.
Опытным путем было установлено, что на проводник с током в магнитном поле действует сила. В однородном поле прямолинейный проводник длиной l, по которому течет ток I, расположенный перпендикулярно вектору поля B, испытывает действие силы: F = I l B .
Направление силы определяется правилом левой руки :
Если четыре вытянутых пальца левой руки расположить по направлению тока в проводнике, а ладонь - перпендикулярно вектору B, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник (рис. 9 ).
Следует отметить, что сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, направлена не по касательной к его силовым линиям, подобно электрической силе, а перпендикулярна им. На проводник, расположенный вдоль силовых линий, магнитная сила не действует.
Уравнение F = IlB позволяет дать количественную характеристику индукции магнитного поля.
Отношение 
не зависит от свойств проводника и характеризует само магнитное поле.
Модуль вектора магнитной индукции B численно равен силе, действующей на расположенный перпендикулярно к нему проводник единичной длины, по которому течет ток силой один ампер.
В системе СИ единицей индукции магнитного поля служит тесла (Тл):
(Взаимодействие магнитов, опыт Эрстеда, вектор магнитной индукции, направление вектора, принцип суперпозиции. Графическое изображение магнитных полей, линии магнитной индукции. Магнитный поток, энергетическая характеристика поля. Магнитные силы, сила Ампера, сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Магнитные свойства вещества, гипотеза Ампера)
Уже давно магнитное поле вызывает множество вопросов у человека, но и сейчас остается малоизвестным явлением. Его характеристики и свойства пытались исследовать многие ученые, ведь польза и потенциал от применения поля были неоспоримыми фактами.
Давайте будем разбирать все по порядку. Итак, как действует и образуется любое магнитное поле? Правильно, от электрического тока. А ток, если верить учебникам по физике, – это имеющий направление поток заряженных частиц, не так ли? Так вот, когда ток проходит по любому проводнику, около него начинает действовать некая разновидность материи – магнитное поле. Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц или магнитными моментами электронов в атомах. Теперь это поле и материя имеют энергию, ее мы видим в электромагнитных силах, которые могут влиять на ток и его заряды. Магнитное поле начинает воздействовать на поток заряженных частиц, и они меняют начальное направление движения перпендикулярно самому полю.
Еще магнитное поле можно назвать электродинамичным, ведь оно образуется около движущихся и воздействует только на движущиеся частицы. Ну а динамичным оно является из-за того, что имеет особое строение во вращающихся бионах на области пространства. Заставить их вращаться и двигаться может обыкновенный электрический движущийся заряд. Бионы передают любые возможные взаимодействия в этой области пространства. Поэтому движущийся заряд притягивает один полюс всех бионов и заставляет их вращаться. Только он может вывести их из состояния покоя, больше ничего, ведь другие силы не смогут влиять на них.
В электрическом поле находятся заряженные частицы, которые очень быстро двигаются и могут преодолеть 300 000 км всего за секунду. Такую же скорость имеет и свет. Магнитное поле не бывает без электрического заряда. Это значит, что частицы невероятно близко связаны друг с другом и существуют в общем электромагнитном поле. То есть, если будут любые изменения в магнитном поле, то изменения будут и в электрическом. Этот закон также обратен.
Мы тут много говорим про магнитное поле, но как же его можно представить? Мы не можем увидеть его нашим человеческим невооруженным глазом. Мало того, из-за невероятно быстрого распространения поля, мы не успеваем его зафиксировать при помощи различных устройств. Но чтобы что-то изучать, надо иметь хоть какое-нибудь представление о нем. Еще часто приходится изображать магнитное поле на схемах. Для того чтобы было проще понять его, проводят условные силовые линии поля. Откуда же их взяли? Их придумали неспроста.
Попробуем увидеть магнитное поле при помощи мелких металлических опилок и обыкновенного магнита. Насыплем на ровную поверхность эти опилки и введем их в действие магнитного поля. Затем увидим, что они будут двигаться, вращаться и выстраиваться в рисунок или схему. Полученное изображение будет показывать примерное действие сил в магнитном поле. Все силы и, соответственно, силовые линии непрерывны и замкнуты в этом месте.
Магнитная стрелка имеет сходные характеристики и свойства с компасом, и ее применяют, чтобы определить направление силовых линий. Если она попадет в зону действия магнитного поля, по ее северному полюсу мы видим направление действия сил. Тогда выделим отсюда несколько выводов: верх обычного постоянного магнита, из которого исходят силовые линии, обозначают северным полюсом магнита. Тогда как южным полюсом обозначают ту точку, где силы замыкаются. Ну а силовые линии внутри магнита на схеме не выделяются.
Магнитное поле, его свойства и характеристики имеют довольно большое применение, потому что во многих задачах его приходится учитывать и исследовать. Это важнейшее явление в науке физике. С ним неразрывно связаны более сложные вещи, такие как магнитная проницаемость и индукция. Чтобы разъяснить все причины появления магнитного поля, надо опираться на реальные научные факты и подтверждения. Иначе в более сложных задачах неправильный подход может нарушить целостность теории.
А сейчас приведем примеры. Все мы знаем нашу планету. Вы скажете, что она не имеет магнитного поля? Может, вы и правы, но ученые говорят, что процессы и взаимодействия внутри ядра Земли рождают огромное магнитное поле, которое тянется на тысячи километров. Но в любом магнитном поле должны быть его полюса. И они существуют, просто расположены немного в стороне от географического полюса. Как же мы его чувствуем? Например, у птиц развиты способности навигации, и они ориентируются, в частности, по магнитному полю. Так, при его помощи гуси благополучно прибывают в Лапландию. Специальные навигационные устройства также используют это явление.
Хорошо известно широкое применение магнитного поля в быту, на производстве и в научных исследованиях. Достаточно назвать такие устройства, как генераторы переменного тока, электродвигатели, реле, ускорители элементарных частиц и различные датчики. Рассмотрим подробнее, что собой представляет магнитное поле и как оно образуется.
Магнитное поле - это силовое поле, действующее на движущиеся заряженные частицы. Размер магнитного поля завит от скорости его изменения. Согласно этому признаку выделяют два типа магнитного поля: динамическое и гравитационное.
Гравитационное магнитное поле возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей их строения. Источниками динамического магнитного поля являются движущиеся электрические заряды или заряженные тела, проводники с током, а также намагниченные вещества.
Великому французскому ученому Андре Амперу удалось выяснить два основополагающих свойства магнитного поля:
Кроме этого, к свойствам магнитного поля относят следующие характеристики:
О магнитном поле мы еще помним со школы, вот только что оно собой представляет, “всплывает” в воспоминаниях не у каждого. Давайте освежим то, что проходили, а возможно, расскажем что-то новенькое, полезное и интересное.
Магнитным полем называют силовое поле, которое воздействует на движущиеся электрические заряды (частицы). Благодаря этому силовому полю предметы притягиваются друг к другу. Различают два вида магнитных полей:
Впервые обозначение магнитному полю было введено М.Фарадеем в 1845 году, правда значение его было немного ошибочно, так как считалось, что и электрическое, и магнитное воздействие и взаимодействие осуществляется исходя из одного и того же материального поля. Позже в 1873 году, Д.Максвелл “презентовал” квантовую теорию, в которой эти понятия стали разделять, а ранее выведенное силовое поле было названо электромагнитным полем.
Не воспринимаются человеческим глазом магнитные поля разных предметов, а зафиксировать его могут только специальные датчики. Источником появления магнитного силового поля в микроскопическом масштабе является движение намагниченных (заряженных) микрочастиц, которыми выступают:
Их движение происходит благодаря спиновому магнитному моменту, который присутствует у каждой микрочастицы.
Как бы странно это ни звучало, но почти все окружающие нас предметы обладают собственным магнитным полем. Хотя в понятии многих магнитное поле имеется только у камушка под названием магнит, который притягивает к себе железные предметы. На самом деле, сила притяжения есть во всех предметах, только проявляется она в меньшей валентности.
Также следует уточнить, что силовое поле, называемое магнитным, появляется только при условии, что электрические заряды или тела движутся.
Недвижимые заряды имеют электрическое силовое поле (оно может присутствовать и в движущихся зарядах). Получается, что источниками магнитного поля выступают:
