Assunto: Campo magnético
Preparado por: Baigarashev D.M.
Verificado por: Gabdullina A.T.
Um campo magnético
Se dois condutores paralelos estiverem conectados a uma fonte de corrente de modo que uma corrente elétrica passe por eles, então, dependendo da direção da corrente neles, os condutores se repelem ou se atraem.
A explicação desse fenômeno é possível do ponto de vista do surgimento de um tipo especial de matéria ao redor dos condutores - campo magnético.
As forças com as quais os condutores condutores de corrente interagem são chamadas magnético.
Um campo magnético- isto é tipo especial matéria, cuja característica específica é a ação sobre uma carga elétrica em movimento, condutores com corrente, corpos com momento magnético, com força dependente do vetor velocidade da carga, direção da intensidade da corrente no condutor e direção do momento magnético do corpo.
A história do magnetismo remonta aos tempos antigos, às antigas civilizações da Ásia Menor. Foi no território da Ásia Menor, na Magnésia, que encontraram Rocha, cujas amostras são atraídas umas pelas outras. De acordo com o nome da área, tais amostras passaram a ser chamadas de "ímãs". Qualquer ímã em forma de haste ou ferradura tem duas extremidades, que são chamadas de pólos; é neste local que suas propriedades magnéticas são mais pronunciadas. Se você pendurar um ímã em uma corda, um pólo sempre apontará para o norte. A bússola é baseada neste princípio. O polo voltado para o norte de um ímã suspenso é chamado Polo Norteímã (N). O pólo oposto é chamado pólo Sul(S).
Os polos magnéticos interagem entre si: polos iguais se repelem e polos diferentes se atraem. Da mesma forma, o conceito de campo elétrico em torno de uma carga elétrica introduz o conceito de campo magnético em torno de um ímã.
Em 1820, Oersted (1777-1851) descobriu que uma agulha magnética localizada próxima a um condutor elétrico se desvia quando a corrente flui através do condutor, ou seja, um campo magnético é criado ao redor do condutor condutor de corrente. Se tomarmos um quadro com corrente, o campo magnético externo interage com o campo magnético do quadro e tem um efeito de orientação sobre ele, ou seja, há uma posição do quadro em que o campo magnético externo tem um efeito de rotação máximo sobre e há uma posição em que a força de torque é zero.
O campo magnético em qualquer ponto pode ser caracterizado pelo vetor B, que é chamado vetor de indução magnética ou indução magnética no ponto.
A indução magnética B é um vetor quantidade física, que é a força característica do campo magnético no ponto. É igual à razão do momento mecânico máximo das forças que atuam em um loop com corrente colocada em um campo uniforme para o produto da intensidade da corrente no loop e sua área:
A direção do vetor de indução magnética B é tomada como sendo a direção da normal positiva ao referencial, que está relacionada à corrente no referencial pela regra do parafuso direito, com momento mecânico igual a zero.
Da mesma forma que as linhas de força do campo elétrico são representadas, as linhas de indução do campo magnético são representadas. A linha de indução do campo magnético é uma linha imaginária, cuja tangente coincide com a direção B no ponto.
As direções do campo magnético em um determinado ponto também podem ser definidas como a direção que indica
o pólo norte da agulha da bússola colocada nesse ponto. Acredita-se que as linhas de indução do campo magnético sejam direcionadas do polo norte para o sul.
A direção das linhas de indução magnética do campo magnético criado por uma corrente elétrica que flui através de um condutor reto é determinada pela regra de uma verruma ou um parafuso direito. O sentido de rotação da cabeça do parafuso é tomado como o sentido das linhas de indução magnética, o que garantiria seu movimento translacional no sentido da corrente elétrica (Fig. 59).
onde n 01 = 4 pi 10 -7 V s / (A m). - constante magnética, R - distância, I - intensidade da corrente no condutor.
Ao contrário das linhas de campo eletrostático, que começam em uma carga positiva e terminam em uma carga negativa, as linhas de campo magnético são sempre fechadas. Nenhuma carga magnética semelhante à carga elétrica foi encontrada.
Um tesla (1 T) é tomado como unidade de indução - a indução de um campo magnético tão uniforme no qual um torque máximo de 1 N m atua em uma estrutura com área de 1 m 2, através da qual uma corrente de 1 A flui.
A indução de um campo magnético também pode ser determinada pela força que age sobre um condutor de corrente em um campo magnético.
Um condutor com corrente colocado em um campo magnético é submetido à força Ampère, cujo valor é determinado pela seguinte expressão:
onde I é a intensidade da corrente no condutor, eu- o comprimento do condutor, B é o módulo do vetor de indução magnética e é o ângulo entre o vetor e a direção da corrente.
A direção da força Ampere pode ser determinada pela regra da mão esquerda: colocamos a palma da mão esquerda de forma que as linhas de indução magnética entrem na palma, colocamos quatro dedos na direção da corrente no condutor, então dobrado dedão mostra a direção da força do ampère.
Considerando que I = q 0 nSv e substituindo esta expressão em (3.21), obtemos F = q 0 nSh/B sin uma. O número de partículas (N) em um determinado volume do condutor é N = nSl, então F = q 0 NvB sin uma.
Vamos determinar a força que atua do lado do campo magnético em uma partícula carregada separada movendo-se em um campo magnético:
Essa força é chamada de força de Lorentz (1853-1928). A direção da força de Lorentz pode ser determinada pela regra da mão esquerda: a palma da mão esquerda é posicionada de forma que as linhas de indução magnética entrem na palma, quatro dedos mostram a direção do movimento da carga positiva, o polegar mostrará a direção da força de Lorentz.
A força de interação entre dois condutores paralelos, através dos quais circulam as correntes I 1 e I 2, é igual a:
Onde eu- a parte de um condutor que está em um campo magnético. Se as correntes estiverem na mesma direção, os condutores são atraídos (Fig. 60), se na direção oposta, eles são repelidos. As forças que atuam em cada condutor são iguais em magnitude, opostas na direção. A fórmula (3.22) é a principal para determinar a unidade de intensidade de corrente 1 ampère (1 A).
Propriedades magneticas as substâncias são caracterizadas por uma quantidade física escalar - permeabilidade magnética, mostrando quantas vezes a indução B do campo magnético em uma substância que preenche completamente o campo difere em valor absoluto da indução B 0 do campo magnético no vácuo:
De acordo com suas propriedades magnéticas, todas as substâncias são divididas em diamagnético, paramagnético e ferromagnético.
Considere a natureza das propriedades magnéticas das substâncias.
Os elétrons na casca dos átomos da matéria se movem em órbitas diferentes. Para simplificar, consideramos essas órbitas circulares, e cada elétron girando em torno do núcleo atômico pode ser considerado como uma corrente elétrica circular. Cada elétron, como uma corrente circular, cria um campo magnético, que chamaremos de orbital. Além disso, um elétron em um átomo tem seu próprio campo magnético, chamado de campo de spin.
Se, quando introduzido em um campo magnético externo com indução B 0, a indução B é criada dentro da substância< В 0 , то такие вещества называются диамагнитными (n< 1).
NO diamagnético Nos materiais, na ausência de um campo magnético externo, os campos magnéticos dos elétrons são compensados e, quando são introduzidos em um campo magnético, a indução do campo magnético de um átomo torna-se direcionada contra o campo externo. O diamagneto é empurrado para fora do campo magnético externo.
No paramagnético materiais, a indução magnética de elétrons em átomos não é totalmente compensada, e o átomo como um todo acaba sendo como um pequeno ímã permanente. Normalmente, na matéria, todos esses pequenos ímãs são orientados arbitrariamente e a indução magnética total de todos os seus campos é igual a zero. Se você colocar um paramagneto em um campo magnético externo, todos os pequenos ímãs - os átomos girarão no campo magnético externo como agulhas de bússola e o campo magnético na substância aumentará ( n >= 1).
ferromagnético são materiais que são n"1. Os chamados domínios, regiões macroscópicas de magnetização espontânea, são criados em materiais ferromagnéticos.
Em diferentes domínios, a indução de campos magnéticos tem diferentes direções (Fig. 61) e em um grande cristal
compensam-se mutuamente. Quando uma amostra ferromagnética é introduzida em um campo magnético externo, os limites dos domínios individuais são deslocados de modo que o volume dos domínios orientados ao longo do campo externo aumenta.
Com o aumento da indução do campo externo B 0, a indução magnética da substância magnetizada aumenta. Para alguns valores de B 0, a indução interrompe seu crescimento acentuado. Este fenômeno é chamado de saturação magnética.
Uma característica dos materiais ferromagnéticos é o fenômeno da histerese, que consiste na dependência ambígua da indução no material da indução do campo magnético externo conforme ele muda.
O loop de histerese magnética é uma curva fechada (cdc`d`c), expressando a dependência da indução no material da amplitude da indução do campo externo com uma mudança periódica bastante lenta neste último (Fig. 62).
O loop de histerese é caracterizado pelos seguintes valores B s , B r , B c . B s - o valor máximo da indução do material em B 0s ; B r - indução residual, igual ao valor da indução no material quando a indução do campo magnético externo diminui de B 0s para zero; -B c e B c - força coercitiva - valor igual à indução do campo magnético externo necessário para mudar a indução no material de residual para zero.
Para cada ferroímã existe uma temperatura (ponto Curie (J. Curie, 1859-1906), acima da qual o ferroímã perde suas propriedades ferromagnéticas.
Existem duas maneiras de levar um ferroímã magnetizado a um estado desmagnetizado: a) aquecer acima do ponto Curie e esfriar; b) magnetizar o material com um campo magnético alternado com uma amplitude lentamente decrescente.
Ferromagnetos com baixa indução residual e força coercitiva são chamados de magnéticos macios. Eles encontram aplicação em dispositivos onde um ferromagneto deve ser frequentemente remagnetizado (núcleos de transformadores, geradores, etc.).
Ferromagnetos magneticamente duros, que têm uma grande força coercitiva, são usados para a fabricação de ímãs permanentes.
Assim como uma carga elétrica em repouso atua sobre outra carga através de um campo elétrico, uma corrente elétrica atua sobre outra corrente através de um campo elétrico. campo magnético. A ação de um campo magnético sobre ímãs permanentes é reduzida à sua ação sobre cargas que se movem nos átomos de uma substância e criam correntes circulares microscópicas.
Doutrina de eletromagnetismo com base em duas suposições:
Ímã permanente(ou agulha magnética) é orientada ao longo do meridiano magnético da Terra. A extremidade apontando para o norte é chamada Polo Norte(N) e a extremidade oposta é pólo Sul(S). Aproximando dois ímãs um do outro, notamos que seus pólos iguais se repelem e os opostos se atraem ( arroz. 1 ).
Se separarmos os polos cortando o imã permanente em duas partes, veremos que cada uma delas também terá dois pólos, ou seja, será um imã permanente ( arroz. 2 ). Ambos os pólos - norte e sul - são inseparáveis um do outro, iguais.
O campo magnético criado pela Terra ou ímãs permanentes é representado, como o campo elétrico, por linhas magnéticas de força. Uma imagem das linhas do campo magnético de qualquer ímã pode ser obtida colocando-se sobre ele uma folha de papel, na qual são derramadas limalhas de ferro em uma camada uniforme. Entrando em um campo magnético, a serragem é magnetizada - cada uma delas possui pólos norte e sul. Pólos opostos tendem a se aproximar, mas isso é evitado pelo atrito da serragem no papel. Se você bater no papel com o dedo, o atrito diminuirá e as limalhas serão atraídas umas pelas outras, formando cadeias que representam as linhas de um campo magnético.
No arroz. 3 mostra a localização no campo de um imã direto de serragem e pequenas setas magnéticas indicando a direção das linhas do campo magnético. Para esta direção, a direção do pólo norte da agulha magnética é tomada.
No início do século XIX. cientista dinamarquês Oersted fez uma descoberta importante ao descobrir ação da corrente elétrica em imãs permanentes . Ele colocou um longo fio perto da agulha magnética. Quando uma corrente passou pelo fio, a flecha girou, tentando ficar perpendicular a ele ( arroz. quatro ). Isso pode ser explicado pelo aparecimento de um campo magnético ao redor do condutor.
As linhas de força magnética do campo criado por um condutor direto com corrente são círculos concêntricos localizados em um plano perpendicular a ele, com centros no ponto por onde passa a corrente ( arroz. 5 ). A direção das linhas é determinada pela regra do parafuso direito:
Se o parafuso for girado na direção das linhas de campo, ele se moverá na direção da corrente no condutor .
A força característica do campo magnético é vetor de indução magnética B . Em cada ponto, ela é direcionada tangencialmente à linha de campo. As linhas do campo elétrico começam nas cargas positivas e terminam nas negativas, e a força que atua nesse campo sobre uma carga é direcionada tangencialmente à linha em cada um de seus pontos. Ao contrário do campo elétrico, as linhas do campo magnético são fechadas, devido à ausência de "cargas magnéticas" na natureza.
O campo magnético da corrente não é fundamentalmente diferente do campo criado por um ímã permanente. Nesse sentido, um análogo de um ímã plano é um solenóide longo - uma bobina de fio, cujo comprimento é muito maior que seu diâmetro. O diagrama das linhas do campo magnético que ele criou, retratado em arroz. 6 , semelhante ao de um imã plano ( arroz. 3 ). Os círculos indicam as seções do fio que formam o enrolamento do solenóide. As correntes que fluem pelo fio do observador são indicadas por cruzes e as correntes na direção oposta - em direção ao observador - são indicadas por pontos. As mesmas designações são aceitas para linhas de campo magnético quando são perpendiculares ao plano do desenho ( arroz. 7 a, b).
A direção da corrente no enrolamento do solenóide e a direção das linhas do campo magnético dentro dele também estão relacionadas pela regra do parafuso direito, que neste caso é formulada da seguinte forma:
Se você olhar ao longo do eixo do solenóide, a corrente que flui no sentido horário cria um campo magnético nele, cuja direção coincide com a direção do movimento do parafuso direito ( arroz. oito )
Com base nesta regra, é fácil descobrir que o solenóide mostrado na arroz. 6 , sua extremidade direita é o pólo norte e sua extremidade esquerda é o pólo sul.
O campo magnético dentro do solenóide é homogêneo - o vetor de indução magnética tem um valor constante (B = const). Nesse aspecto, o solenóide é semelhante a um capacitor plano, dentro do qual é criado um campo elétrico uniforme.
Foi estabelecido experimentalmente que uma força atua em um condutor de corrente em um campo magnético. Em um campo uniforme, um condutor retilíneo de comprimento l, através do qual flui a corrente I, localizado perpendicularmente ao vetor de campo B, experimenta a força: F = I l B .
A direção da força é determinada regra da mão esquerda:
Se os quatro dedos estendidos da mão esquerda forem colocados na direção da corrente no condutor e a palma for perpendicular ao vetor B, o polegar retraído indicará a direção da força que atua no condutor (arroz. 9 ).
Deve-se notar que a força que atua em um condutor com corrente em um campo magnético não é direcionada tangencialmente às suas linhas de força, como uma força elétrica, mas perpendicular a elas. Um condutor localizado ao longo das linhas de força não é afetado pela força magnética.
A equação F = IlB permite dar uma característica quantitativa da indução do campo magnético.
Atitude 
não depende das propriedades do condutor e caracteriza o próprio campo magnético.
O módulo do vetor de indução magnética B é numericamente igual à força que atua em um condutor de comprimento unitário localizado perpendicularmente a ele, através do qual flui uma corrente de um ampere.
No sistema SI, a unidade de indução do campo magnético é tesla (T):
(Interação de ímãs, experimento de Oersted, vetor de indução magnética, direção de vetor, princípio de superposição. Representação gráfica de campos magnéticos, linhas de indução magnética. Fluxo magnético, energia característica do campo. Forças magnéticas, Força Ampère, Força de Lorentz. Movimento de partículas carregadas em um campo magnético. Propriedades magnéticas da matéria, hipótese de Ampère)
Por muito tempo, o campo magnético levantou muitas questões em humanos, mas mesmo agora continua sendo um fenômeno pouco conhecido. Muitos cientistas tentaram estudar suas características e propriedades, pois os benefícios e as potencialidades do uso do campo eram fatos incontestáveis.
Vamos levar tudo em ordem. Então, como qualquer campo magnético age e se forma? Isso mesmo, corrente elétrica. E a corrente, de acordo com os livros de física, é um fluxo de partículas carregadas com uma direção, não é? Assim, quando uma corrente passa por qualquer condutor, um certo tipo de matéria começa a agir ao seu redor - um campo magnético. O campo magnético pode ser criado pela corrente de partículas carregadas ou pelos momentos magnéticos dos elétrons nos átomos. Agora este campo e matéria têm energia, vemos isso em forças eletromagnéticas que podem afetar a corrente e suas cargas. O campo magnético começa a atuar no fluxo de partículas carregadas, e elas mudam a direção inicial do movimento perpendicular ao próprio campo.
Outro campo magnético pode ser chamado de eletrodinâmico, porque é formado perto de partículas em movimento e afeta apenas partículas em movimento. Bom, ele é dinâmico pelo fato de ter estrutura especial em bíons rotativos em uma região do espaço. Uma carga elétrica comum em movimento pode fazê-los girar e se mover. Os bíons transmitem todas as interações possíveis nessa região do espaço. Portanto, a carga em movimento atrai um pólo de todos os bíons e os faz girar. Só ele pode tirá-los do estado de repouso, nada mais, porque outras forças não poderão influenciá-los.
Em um campo elétrico estão partículas carregadas que se movem muito rápido e podem percorrer 300.000 km em apenas um segundo. A luz tem a mesma velocidade. Não existe campo magnético sem carga elétrica. Isso significa que as partículas estão incrivelmente próximas umas das outras e existem em um campo eletromagnético comum. Ou seja, se houver mudanças no campo magnético, haverá mudanças no campo elétrico. Esta lei também é invertida.
Falamos muito sobre o campo magnético aqui, mas como você pode imaginá-lo? Não podemos vê-lo a olho nu. Além disso, devido à propagação incrivelmente rápida do campo, não temos tempo para corrigi-lo com a ajuda de vários dispositivos. Mas, para estudar algo, é preciso ter pelo menos alguma ideia disso. Muitas vezes também é necessário representar o campo magnético em diagramas. Para facilitar a compreensão, são desenhadas linhas de campo condicionais. De onde eles os tiraram? Eles foram inventados por uma razão.
Vamos tentar ver o campo magnético com a ajuda de pequenas limalhas de metal e um ímã comum. Vamos despejar essa serragem sobre uma superfície plana e introduzi-la na ação de um campo magnético. Então veremos que eles se moverão, girarão e se alinharão em um padrão ou padrão. A imagem resultante mostrará o efeito aproximado das forças em um campo magnético. Todas as forças e, consequentemente, as linhas de força são contínuas e fechadas neste local.
A agulha magnética tem características e propriedades semelhantes a uma bússola e é usada para determinar a direção das linhas de força. Se cair na zona de ação de um campo magnético, podemos ver a direção da ação das forças pelo seu polo norte. Então vamos destacar várias conclusões daqui: o topo do habitual ímã permanente, de onde emanam as linhas de força, denotam o polo norte do ímã. Considerando que o pólo sul denota o ponto onde as forças são fechadas. Bem, as linhas de força dentro do ímã não estão destacadas no diagrama.
O campo magnético, suas propriedades e características são bastante utilizados, pois em muitos problemas ele deve ser levado em consideração e estudado. Este é o fenômeno mais importante na ciência da física. Coisas mais complexas estão inextricavelmente ligadas a ele, como permeabilidade magnética e indução. Para explicar todas as razões do aparecimento de um campo magnético, é preciso confiar em fatos científicos e confirmações. Caso contrário, em problemas mais complexos, a abordagem errada pode violar a integridade da teoria.
Agora vamos dar exemplos. Todos conhecemos o nosso planeta. Você diz que não tem campo magnético? Você pode estar certo, mas os cientistas dizem que os processos e interações dentro do núcleo da Terra criam um enorme campo magnético que se estende por milhares de quilômetros. Mas qualquer campo magnético deve ter seus pólos. E eles existem, apenas localizados um pouco afastados do pólo geográfico. Como o sentimos? Por exemplo, os pássaros desenvolveram habilidades de navegação e se orientam, em particular, pelo campo magnético. Assim, com a ajuda dele, os gansos chegam em segurança à Lapônia. Especial dispositivos de navegação também usam esse fenômeno.
É bem conhecido o uso generalizado do campo magnético na vida cotidiana, na produção e na pesquisa científica. Basta nomear tais dispositivos como geradores corrente alternada, motores elétricos, relés, aceleradores partículas elementares e vários sensores. Vamos considerar com mais detalhes o que é um campo magnético e como ele é formado.
Um campo magnético é um campo de força que age sobre partículas carregadas em movimento. O tamanho do campo magnético depende da taxa de sua mudança. De acordo com esta característica, distinguem-se dois tipos de campo magnético: dinâmico e gravitacional.
O campo magnético gravitacional surge apenas perto de partículas elementares e é formado dependendo das características de sua estrutura. As fontes de um campo magnético dinâmico são cargas elétricas em movimento ou corpos carregados, condutores de corrente, bem como substâncias magnetizadas.
O grande cientista francês André Ampere conseguiu descobrir duas propriedades fundamentais do campo magnético:
Além disso, as propriedades do campo magnético incluem as seguintes características:
Ainda nos lembramos do campo magnético da escola, é isso mesmo, "aparece" na memória de nem todos. Vamos atualizar o que passamos e talvez contar algo novo, útil e interessante.
Um campo magnético é um campo de força que atua sobre cargas elétricas em movimento (partículas). Devido a este campo de força, os objetos são atraídos uns pelos outros. Existem dois tipos de campos magnéticos:
Pela primeira vez, a designação de campo magnético foi introduzida por M. Faraday em 1845, embora seu significado fosse um pouco errôneo, pois se acreditava que tanto os efeitos elétricos quanto os magnéticos e a interação são baseados no mesmo campo material. Mais tarde, em 1873, D. Maxwell “apresentou” teoria quântica, em que esses conceitos começaram a ser separados, e o campo de força anteriormente derivado foi chamado de campo eletromagnético.
Campos magnéticos não são percebidos pelo olho humano vários itens, e apenas sensores especiais podem corrigi-lo. A fonte do aparecimento de um campo de força magnética em escala microscópica é o movimento de micropartículas magnetizadas (carregadas), que são:
Seu movimento ocorre devido ao momento magnético de spin, que está presente em cada micropartícula.
Não importa o quão estranho possa parecer, mas quase todos os objetos ao nosso redor têm seu próprio campo magnético. Embora no conceito de muitos, apenas uma pedrinha chamada ímã possui um campo magnético, que atrai objetos de ferro para si. Na verdade, a força de atração está em todos os objetos, ela só se manifesta em uma valência inferior.
Também deve ser esclarecido que o campo de força, chamado magnético, aparece apenas sob a condição de que cargas ou corpos elétricos estejam em movimento.
Cargas imóveis têm um campo de força elétrica (também pode estar presente em cargas em movimento). Acontece que as fontes do campo magnético são:
