Саморазвитие 

Что такое эл магнитное поле. Магнитное поле и его свойства

Введение

Что такое магнитное поле? Все о нем слышали, все видели, как намагниченная стрелка компаса всегда одним и тем же концом поворачивается в сторону северного магнитного полюса, а другим своим концом - всегда в сторону южного магнитного полюса. Человека от самого умного животного отличает то, что он любопытен, и хочет знать - а почему это так происходит, как это устроено, что так происходит. Именно для объяснения происходящего вокруг него древний человек придумал богов. Духи, боги в сознании людей были факторами, которыми обяснялось все, что человек видел, слышал, от чего зависела удача на охоте и на войне, кто передвигал Солнце по небу, кто устраивал грозу, проливал дождь и сыпал снег, в общем, все сущее, все происходящее. Представьте себе, к дедушке подходит маленький внук, показывает на молнию и спрашивает: что это такое, почему огонь из тучи летит в землю, и кто так громко стучит там в облаках? Если дед отвечал: не знаю, то внук смотрел на него с сожалением и начинал меньше уважать. Но когда дед говорил, что это бог Ярило ездит на колеснице по облакам и огненные стрелы в нехороших людей пускает, внук слушал и еще больше уважал своего деда. Он начинал меньше бояться грома и молнии, так как знал, что он же хороший, поэтому Ярило в него стрелять не станет.

В раннем детстве, когда я начинал шалить, бабушка Анна говорила: "Шурка, смотри, не шали, а то боженька камешком стукнет". И при этом показывала на икону в красном углу на полке-божнице. Я на некоторое время притихал, с опаской посматривал на сурового мужика, нарисованного на доске, но как-то раз усомнился в его способности кидаться камнями. Поставил на лавку табуретку, влез на нее и заглянул на полку за икону. Никаких камушков я там не увидел, и когда бабка стала в очередной раз стращать меня, рассмеялся и заявил: "Никаких камней у него нет, и вообще он нарисованный и кидаться не может. И нечего пугать меня боженькой, я уже не маленький". Вот так же и наш далекий предок когда-то засомневался, что это Ярило по небу катается и стрелы пускает. Вот тогда-то и зародилось рациональное знание, когда люди засомневались во всемогуществе богов. Но чем же они их заменили? А заменили они богов законами природы, и крепко стали верить этим законам. Но там, где законами природы человек объяснить происходящее не может, он оставил место для богов. Именно поэтому религия и наука сосуществуют в обществе до сих пор.

Помню, как старшие приятели показали нам, малышам, фокус. По столу сам по себе двигался положенный на стол железный гвоздь, а парень-фокусник под столом передвигал свою руку. Гвоздь следовал за рукой. Мы удивленно таращили на это глаза и не понимали, почему гвоздь движется. Когда я рассказал матери об этом фокусе, то она разъяснила, что в руке у парня был магнит, который притягивает к себе железо, что парень под столом двигал не просто рукой, а в руке у него был магнит. На тот момент это объяснение удовлетворило мое любопытство, но чуть позже я уже хотел понять, а почему магнит на расстоянии - через доску стола, через слой воздуха - притягивает к себе железо. На этот вопрос ни мама, ни отец мне ответить не смогли. Пришлось ждать до школы. Там на уроке физики учитель объяснил, что магнит действует на железо через магнитное поле, которое создает вокруг себя, что у магнита есть два полюса - северный и южный, что из северного выходят какие-то невидимые магнитные силовые линии, которые дугой изгибаются и входят в южный полюс.

Тогда я впервые задумался: значит, в мире, кроме видимого, слышимого и осязаемого, есть кое-что невидимое и неосязаемое. Тогда я подумал: а что, если бог невидим и неосязаем - как это магнитное поле. Его вроде бы и нет нигде, а он все же существует. А на иконах в виде мужика его так, по глупости, изображают. Не знал я тогда, что до этого еще раньше меня додумался и философ Спиноза, который стал рассматривать Природу и Бога как единое и неразделимое, видимое и невидимое. Природа и есть Бог!

Помню, я пытался представить это магнитное поле, состоящее из силовых линий, и ничего не понимал. Я этих линий не видел и не слышал. Они ничем не пахли, и поверить в то, что вокруг нас может быть что-то, что мы никак не ощущаем, мне тогда было не очень понятно. Железные гвозди и опилки чувствовали магнитное поле и ориентировались и двигались в нем, а я со своими тонкими органами чувств ничего не чувствовал. Эта ущербность меня откровенно угнетала. Но не одного меня. А. Эйнштейн писал о сильном удивлении от увиденных свойств магнита, который ему в детстве подарил на день рождения отец, от того, что он не мог понять, как и почему эти притягательные свойства магнита происходят.

Когда учительница обществоведения уже в 10-м классе познакомила нас с определением материи, данным В.И. Лениным: "материя это то, что существует вокруг нас и дано нам в ощущениях", я возмущенно ее спросил: "а вот магнитное поле мы не ощущаем, а оно существует, оно что - разве не материя?". Да, одних органов чувств недостаточно, чтобы воспринимать все формы материи, требуется еще разум, с помощью которого если мы что-то и не чувствуем - не ощущаем, то понимаем, что оно есть. Поняв это, я решил изучать науки и развивать свой ум, надеясь, что это позволит мне многое понять. Но по мере того как я расширял пространство понятного мне, непонятное не исчезало, а только отодвигалось, и линия горизонта непонятного становилась все длиннее, так как круг познанного увеличивался и длина его окружности, отделяющая понятое моим разумом от непознанного и непонятного, тоже увеличивалась. В этом и состоит главный парадокс познания: чем больше мы узнаем и понимаем, тем больше мы еще не знаем. Об этом ученом незнании писал еще Николай Кузанский, которого почему-то считают философом схоластиком, хотя открытая им истина скорее говорит все же о том, что он был диалектиком.

Первые упоминания о породах, способных притягивать железо, относятся к античным временам. С магнитом связана старинная легенда о пастухе Магнусе, который однажды обнаружил, что его железный посох и сандалии, подбитые железными гвоздями, притягиваются к неведомому камню. С тех пор данный камень стали именовать «камнем Магнуса», или магнитом.

Происхождение и сущность магнитного поля Земли, как и магнитных полей вообще, и по сей день остается загадкой. Существует много гипотез - вариантов объяснения этого феномена, но истина по-прежнему "где-то там". Вот так определяют магнитное поле ученые физики: "Магнитное поле - это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения". И далее: "Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени). Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля". Я бы не сказал, что с логической точки зрения это блестящее определение. Сказать, что магнитное поле - это силовое поле, значит не сказать ничего, это - тавталогия. Ведь гравитационное поле - тоже силовое поле, и поле ядерных сил - силовое! Указание на воздействие магнитного поля на движущиеся электрические заряды кое о чем говорит, это описание одного из свойств магнитного поля. Но непонятно, действует ли магнитное поле непосредственно на частицы, имеющие электрические заряды, или оно действует на магнитные поля, образуемые этими частицами, а те (трансформированные поля частиц) уже в свою очередь действуют на частицы - передают им полученный импульс.

Впервые магнитные явления начал изучать английский врач и физик Уильям Гильберт, написавший работу «О магните, магнитных телах и о большом магните - Земле». Тогда считали, что электричество и магнетизм не имеют ничего общего. Но в начале XIX в. датский ученый Г.Х. Эрстед в 1820 г. экспериментальным путем доказал, что магнетизм является одной из скрытых форм электричества, и подтвердил это на опыте. Этот опыт повлек за собой лавину новых открытий, имевших огромное значение. Вокруг проводников с электрическим током возникает поле, которое было названо магнитным . Пучок движущихся электронов оказывает действие на магнитную стрелку, аналогичное проводнику с током (опыт Иоффе). Конвекционные токи электрически заряженных частиц по своему действию на магнитную стрелку подобны токам проводимости (опыт Эйхенвальда).

Магнитное поле создается только движущимися электрическими зарядами или движущимися электрически заряженными телами, а также постоянными магнитами. Этим магнитное поле отличается от электрического поля, которое создают как движущиеся, так и неподвижные электрические заряды.

Линии вектора магнитной индукции (В) всегда замкнуты и охватывают проводник с током, а линии напряженности электрического поля начинаются на положительных и кончаются на отрицательных зарядах, они разомкнуты. Линии магнитной индукции постоянного магнита выходят из одного полюса, называемого северным (N) и входят в другой - южный (S). Вначале кажется, что здесь наблюдается полная аналогия с линиями напряженности электрического поля (Е). Полюса магнитов играют роль магнитных зарядов. Однако если разрезать магнит, картина сохраняется, получаются более мелкие магниты - но каждый со своими северным и южным полюсами. Магнитные полюса разделить так, что северный полюс будет у одного куска, а южный у другого, невозможно, потому что свободных (дискретных) магнитных зарядов, в отличие от дискретных электрических зарядов, в природе не существует.

Магнитные поля, существующие в природе, разнообразны по масштабам и по вызываемым ими эффектам. Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается на расстоянии 70-80 тысяч километров в направлении к Солнцу и на многие миллионы километров в обратном направлении. Происхождение магнитного поля Земли связывают с движениями жидкого вещества, проводящего электрически заряженные частицы в земном ядре. Мощными магнитными полями обладают Юпитер и Сатурн. Магнитное поле Солнца играет важнейшую роль во всех происходящих на Солнце процессах - вспышках, появлении пятен и протуберанцев, рождении солнечных космических лучей. Магнитное поле широко применяется в различных отраслях промышленности: при погрузке железного лома, при очистке муки на хлебозаводах от металлических примесей, а также в медицине для лечения больных.

Что такое магнитное поле

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина). Вообще-то вектор - это величина, имеющая направление в пространстве, следовательно, можно говорить и о направлении магнитной индукции и о ее величине. Но сказать, что магнитное поле - это только направление магнитной индукции, значит, не очень-то и много разъяснить. Есть еще одна характеристика магнитного поля - векторный потенциал. В качестве основной характеристики магнитного поля в вакууме выбирают не вектор магнитной индукции, а вектор напряжённости магнитного поля . В вакууме эти два вектора совпадают, а в веществе нет, но с систематической точки зрения следует считать основной характеристикой магнитного поля именно векторный потенциал .

Магнитное поле можно назвать особым видом материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом. Магнитные поля являются необходимым (в контексте специальной теории относительности) следствием существования электрических полей. Магнитное и электрическое поля вместе образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются, в частности, свет и все другие электромагнитные волны. С точки зрения квантовой теории поля, магнитное взаимодействие - как частный случай электромагнитного взаимодействия - переносится фундаментальным безмассовым бозоном - фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля), часто (например, во всех случаях статических полей) виртуальным. Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времени электрическим полем, или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам).

По-моему, эти определения весьма туманны. Понятно, что магнитное поле - не пустота, а особый вид материи - часть реального мира. Понятно, что магнитное поле неразрывно связано с движением электрических зарядов - электрическим током. А вот как магнитное поле с электрическим полем образуют единое электромагнитное поле, непонятно. Скорее всего, существует некое единое поле, которое в зависимости от обстоятельств проявляет себя то как магнитное поле, то как электрическое. Прямо как гермафродит какой-то, который в определенных обстоятельствах может быть мальчиком, а в других обстоятельствах - девочкой.

Сила, действующая на движущуюся в магнитном поле электрически заряженную частицу, называется силой Лоренца. Эта сила всегда направлена перпендикулярно к вектору скорости движения частицы - v и векторному потенциалу магнитного поля - B . Эта сила пропорциональна заряду частицы q , ее скорости v , перпендикулярна направлению вектора магнитного поля B и пропорциональна величине индукции магнитного поля B . Поясню тем, кто совсем позабыл школьную физику: сила - это причина, вызывающая ускорение движения тел. Здесь сила действует не на массу частицы, а на ее заряд. Этим сила Лоренца отличается от силы гравитации, которая действует на массу частиц (тел), поскольку масса тела - это его гравитационный заряд.

Магнитное поле действует и на проводник с током. Сила, действующая на проводник с током, называется силой Ампера. Эта сила складывается из сил, действующих на отдельные движущиеся внутри проводника электрические заряды. Это и есть сила тока, измеряемая в амперах.

При взаимодействии двух магнитов их одинаковые полюсы отталкиваются, а противоположные притягиваются. Однако детальный анализ показывает, что на самом деле это не полностью правильное описание явления. Непонятно, почему в рамках такой модели диполи никогда не могут быть разделены. Эксперимент показывает, что никакое изолированное тело на самом деле не обладает магнитным зарядом одного знака. Всякое намагниченное тело имеет два полюса - северный и южный. На магнитный диполь, помещённый в неоднородное магнитное поле, действует сила, которая стремится повернуть его так, чтобы магнитный момент диполя был сонаправлен (совпадал по направлению) с магнитным полем, в которое этот магнитный диполь поместили.

В 1831 г. Майкл Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводнике, если его поместить в изменяющемся магнитном поле, возникает электрический ток. Это явление получило название электромагнитная индукция.

М. Фарадей обнаружил, что электродвижущая сила (ЭДС), возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через часть электрического контура, находящуюся в это магнитное поле. Величина (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока - изменение самого магнитного поля или движение части контура в магнитном поле. Электрический ток, вызванный ЭДС, называется индукционным током. Это открытие позволило создать генераторы электрического тока и создать, по-сути, нашу электрическую цивилизацию . Кто бы мог подумать в 30-е годы XIX в., что открытие М. Фарадея было эпохальным цивилизационным открытием, определившим будущее человечества?

В свою очередь, магнитное поле может создаваться и изменяться (ослабляться или усиливаться) переменным электрическим полем, создаваемым электрическими токами в виде потоков заряженных частиц. Микроскопическая структура вещества, помещенного в переменное магнитное поле, влияет на силу возникающего в нем тока. Одни структуры ослабляют возникающий электрический ток, а другие усиливают его в разной степени. Одно из первых исследований магнитных свойств вещества ваыполнил Пьер Кюри. В связи с этим вещества в отношении их магнитных свойств делятся на две основные группы:

1. Ферромагнетики - вещества, в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов частиц вещества.

2. Антиферромагнетики - вещества, в которых установился антиферромагнитный порядок магнитных моментов частиц вещества - атомов или ионов: магнитные моменты частиц вещества направлены противоположно и равны по силе.

Различают также вещества диамагнетики и вещества парамагнетики.

Диамагнетики - вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля.

Парамагнетики - вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля.

Типы упорядочения магнитных моментов атомов в парамагнитных (а), ферромагнитных (б) и антиферромагнитных (в) веществах. Рисунок с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

К перечисленным выше группам веществ в основном относятся обычные твердые, жидкие и газообразные вещества. От них существенно отличаются своим взаимодействием с магнитным полем сверхпроводники и плазмы.

Магнитное поле ферромагнетиков (пример - железа) заметно на значительных расстояниях.

Магнитные свойства парамагнетиков аналогичны свойствам ферромагнетиков, но выражены гораздо слабее - на меньшем расстоянии.

Диамагнетики не притягиваются, а отталкиваются магнитом, сила, действующая на диамагнетики, направлена противоположно той, что действует на ферромагнетики и парамагнетики.

Согласно правилу Ленца, магнитное поле индуцируемого в магнитном поле электрического тока направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего этот ток. Хочу заметить, что взаимодействие переменного магнитного поля и индуцируемого им электрического тока и электрического поля соответствует принципу Ле-Шателье. Это не что иное, как автоторможение процесса, присущее всем процессам, происходящим в реальном мире.

Согласно принципу Ле-Шателье, всякий процесс, происходящий в мире, порождает процесс, имеющий противоположное направление и тормозящий процесс, его вызывающий. По-моему, это один из главных законов мироздания, которому почему-то не уделяют должного внимание ни физики, ни философы.

Все вещества в большей или меньшей степени обладают магнитными свойствами. Если два проводника с электрическими токами поместить в какую либо среду, то сила магнитного взаимодействия между токами изменяется. Индукция магнитного поля, создаваемого электрическими токами в веществе, отличается от индукции магнитного поля, создаваемого теми же токами в вакууме. Физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде отличается по модулю от индукции магнитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью. Максимальной магнитной проницаемостью обладает вакуум.

Магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами атомов - электронов, протонов и нейтронов, входящих в состав атомов. Магнитные свойства протонов и нейтронов почти в 1000 раз слабее магнитных свойств электронов. Поэтому магнитные свойства вещества в основном определяются электронами, входящими в состав его атомов.

Одним из важнейших свойств электрона является наличие у него не только электрического, но и магнитного поля. Собственное магнитное поле электрона, возникающее якобы при вращении его вокруг своей оси, называют спиновым полем (spin - вращение). Но электрон создает магнитное поле также и за счет своего движения вокруг ядра атома, которое можно уподобить круговому микротоку. Спиновые поля электронов и магнитные поля, обусловленные их орбитальными движениями, и определяют широкий спектр магнитных свойств веществ.

Поведение парамагнетика (1) и диамагнетика (2) в неоднородном магнитном поле. Рисунок с сайта:http://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/ paragraph19/theory.html

Вещества крайне разнообразны по своим магнитным свойствам. Например, платина, воздух, алюминий, хлористое железо - парамагнетики, а медь, висмут, вода - диамагнетики. Образцы из парамагнетика и диамагнетика, помещенные в неоднородное магнитное поле между полюсами электромагнита, ведут себя по-разному - парамагнетики втягиваются в область сильного поля, а диамагнетики, наоборот, выталкиваются из него.

Пара- и диамагнетизм объясняется поведением электронных орбит во внешнем магнитном поле. У атомов диамагнитных веществ в отсутствие внешнего поля собственные магнитные поля электронов и поля, создаваемые их орбитальным движением, полностью скомпенсированы. Возникновение диамагнетизма связано с действием силы Лоренца на электронные орбиты. Под действием этой силы изменяется характер орбитального движения электронов и нарушается компенсация магнитных полей. Возникающее при этом собственное магнитное поле атома оказывается направленным против направления индукции внешнего поля.

В атомах парамагнитных веществ магнитные поля электронов скомпенсированы не полностью, и атом оказывается подобным маленькому круговому току. В отсутствие внешнего поля эти круговые микротоки ориентированы произвольно, так что суммарная магнитная индукция равна нулю. Внешнее магнитное поле оказывает ориентирующее действие - микротоки стремятся сориентироваться так, чтобы их собственные магнитные поля оказались направленными по направлению индукции внешнего поля. Из-за теплового движения атомов ориентация микротоков никогда не бывает полной. При усилении внешнего поля ориентационный эффект возрастает, так что индукция собственного магнитного поля парамагнитного образца растет прямо пропорционально индукции внешнего магнитного поля. Полная индукция магнитного поля в образце складывается из индукции внешнего магнитного поля и индукции собственного магнитного поля, возникшего в процессе намагничивания.

Диамагнитными свойствами обладают атомы любых веществ, но во многих случаях их диамагнетизм маскируется сильным парамагнитным эффектом. Явление диамагнетизма было открыто М. Фарадеем в 1845 г.

Ферромагнетики могут сильно намагничиваться в магнитном поле, их магнитная проницаемость очень велика. К рассматриваемой группе относятся четыре химических элемента: железо, никель, кобальт, гадолиний. Из них наибольшей магнитной проницаемостью обладает железо. Ферромагнетиками могут быть различные сплавы этих элементов, например, керамические ферромагнитные материалы - ферриты.

Для каждого ферромагнетика существует определенная температура (так называемая температура или точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком. У железа, например, температура Кюри равна 770°C, у кобальта 1130°C, у никеля 360°C.

Ферромагнитные материалы бывают магнито-мягкие и магнито-жесткие. Магнито-мягкие ферромагнитные материалы почти полностью размагничиваются, когда внешнее магнитное поле становится равным нулю. К магнито-мягким материалам относится, например, чистое железо, электротехническая сталь и некоторые сплавы. Эти материалы применяются в приборах переменного тока, в которых происходит непрерывное перемагничивание, то есть изменение направления магнитного поля (трансформаторы, электродвигатели и т. п.).

Магнито-жесткие материалы в значительной мере сохраняют свою намагниченность и после удаления их из магнитного поля. Примерами магнито-жестких материалов могут служить углеродистая сталь и ряд специальных сплавов. Магнито-жесткие материалы используются в основном для изготовления постоянных магнитов.

Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является гистерезис, то есть зависимость намагничивания от предыстории образца. Кривая намагничивания B (B0) ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса.

Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от индукции внешнего магнитного поля. Намагничивается ферромагнетик вначале быстро, но достигнув максимума, намагничивается все медленнее. Рисунок с сайта:http://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/ paragraph19/theory.html

Типичная петля гистерезися для магнитно-твердого ферромагнитного материала. В точке 2 достигается магнитное насыщение. Отрезок 1-3 определяет остаточную магнитную индукцию, а отрезок 1-4 - коэрцитивную силу, характеризующую способность образца противостоять размагничиванию. Рисунок с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

Природа ферромагнетизма может быть понята на основе квантовых представлений. Ферромагнетизм объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов. В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация. В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области. Эти области называются доменами. Каждый домен представляет из себя небольшой постоянный магнит.

Иллюстрация процесса намагничивания ферромагнитного образца:

а - вещество в отсутствие внешнего магнитного поля: его отдельные атомы, являющиеся маленькими магнитами, расположены хаотически; б - намагниченное вещество: под действием внешнего поля атомы ориентируются относительно друг друга в определенном порядке в соответствии с направлением внешнего поля. Рис. с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

Домены в теории магнетизма - это малые намагниченные области материала, в которых моменты магнтного поля атомов ориентированы параллельно друг другу. Домены отделены друг от друга переходными слоями, называемыми блоховскими стенками. На рисунке показаны два домена с противоположной магнитной ориентацией и блоховская стенка между ними с промежуточной ориентацией. Рисунок с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов индукции магнитных полей в различных доменах ориентированы в большом кристалле хаотически. Такой кристалл оказывается ненамагниченным. При наложении же внешнего магнитного поля происходит смещение границ доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается. С увеличением индукции внешнего поля возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. В очень сильном магнитном внешнем поле домены, в которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает магнитное насыщение.

Следует однако помнить, что все эти рисунки и изображенные на них домены и атомы - всего лишь схемы или модели реальных явлений магнетизма, но не сами явления. Ими пользуются до тех пор, пока они не противоречат наблюдаемым фактам.

Простой электромагнит, предназначенный для захвата грузов. Источником энергии служит аккумуляторная батарея постоянного тока. Показаны также силовые линии поля электромагнита, которые можно выявить обычным методом железных опилок. Рисунок с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.htmll

Возникновение магнитного поля в окрестностях проводника, по которому пропущен постоянный электрический ток, иллюстрирует электромагнит. Ток проходит по проводу, который намотан на стержень из ферромагнетика. Намагничивающая сила в этом случае равна произведению величины электрического тока в катушке на число витков в ней. Эта сила измеряется в амперах. Напряженность магнитного поля Н равна намагничивающей силе, приходящейся на единицу длины катушки. Таким образом, величина Н измеряется в амперах на метр; ею определяется намагниченность, приобретаемая материалом внутри катушки. В вакууме магнитная индукция B пропорциональна напряженности магнитного поля Н .

Индукция магнитного поля - это векторная величина, которая является силовой характеристикой магнитного поля. Направление магнитной индукции совпадает с направлением, который указывает магнитная стрелка в магнитном поле, а модуль данного вектора равен отношению модуля магнитной силы, которая действует на движущуюся перпендикулярно заряженную частицу, к модулю скорости и заряда этой частицы. Магнитная индукция согласно СИ измеряется в теслах (Тл). В системе СГС магнитная индукция измеряется в гауссах (Гс). При этом 1 Тл = 104 Гс.

Крупные электромагниты с железными сердечниками и очень большим числом витков, работающие в непрерывном режиме, обладают большой намагничивающей силой. Они создают магнитную индукцию в промежутке между полюсами до 6 теслов (Тл). Величина индукции ограничивается механическими напряжениями, нагреванием катушек и магнитным насыщением сердечника.

Ряд гигантских электромагнитов (без сердечника) с водяным охлаждением, и установок для создания импульсных магнитных полей был сконструирован П.Л. Капицей в Кембридже и в Институте физических проблем АН СССР, а также Ф. Биттером в Массачусетском технологическом институте. На таких магнитах удавалось достичь индукции до 50 Тл. Сравнительно небольшой электромагнит, создающий поля до 6,2 Тл, потребляющий электрическую мощность 15 кВт и охлаждаемый жидким водородом, был разработан в Лосаламосской национальной лаборатории. Подобные магнитные поля получают при очень низких температурах.

Вектор магнитной индукции считается одной из физических величин, которая является фундаментальной в теории электромагнетизма, его можно встретить в огромном множестве уравнений, в каких-то случаях непосредственно, а иногда через напряженность магнитного поля, связанную с ним. Еединственной областью в классической теории электромагнетизма, в которой отсутствует вектор магнитной индукции, является, пожалуй, только чистая электростатика.

Ампер в 1825 г. предположил, что в магните в каждом его атоме циркулируют электрические микротоки. Но электрон был открыт лишь в 1897 г., а модель внутренней структуры атома - в 1913 г., почти 100 лет после гениальной догадки Ампера. В 1852 г. В. Вебер предположил, что каждый атом магнитного вещества представляет собой крошечный магнитный диполь. Предельная или полная намагниченность вещества достигается тогда, когда все отдельные атомные магнитики оказываются выстроенными в определенном порядке. Вебер полагал, что сохранять свое упорядочение этим элементарным магнитам помогает молекулярное или атомное «трение». Его теория объясняла намагничивание тел при их соприкосновении с магнитом и их размагничивание при ударе или нагреве. Объяснялось и «размножение» магнитов при разрезании намагниченного куска или магнитного стержня на части, когда у каждой части всегда появлялось два полюса. Однако эта теория не объясняла ни происхождения самих элементарных магнитов, ни явление гистерезиса. В 1890 г. теория Вебера была усвершенствована Дж. Эвингом, заменившим гипотезу атомного трения идеей межатомных ограничивающих сил, помогающих поддерживать упорядочение элементарных диполей, которые и составляют постоянный магнит.

В 1905 г. П. Ланжевен объяснил поведение парамагнитных материалов, приписав каждому атому внутренний нескомпенсированный электронный ток. Согласно Ланжевену, именно эти токи образуют крошечные магниты, хаотически ориентированные, когда внешнее магнитное поле отсутствует, но приобретающие упорядоченную ориентацию после его приложения. При этом приближение к полной упорядоченности соответствует насыщению намагниченности. Ланжевен ввел понятие магнитного момента атомного магнита, равное произведению «магнитного заряда» на расстояние между полюсами. Согласно этой теории, слабый магнетизм парамагнитных материалов объясняется слабым суммарным магнитным моментом, создаваемым нескомпенсированными электронными токами.

В 1907 г. П. Вейс ввел понятие «домена», ставшее важным вкладом в современную теорию магнетизма. Отдельный домен может иметь линейные размеры порядка 0,01 мм. Домены разделены между собой так называемыми блоховскими стенками, толщина которых не превышает 1000 атомных размеров. Такие стенки представляют собой «переходные слои», или микроградиенты в магнитной наноструктуре вещества, в которых происходит изменение направления намагниченности доменов. Имеются два убедительных экспериментальных подтверждения существования доменов. В 1919 г. Г. Баркгаузен установил, что при наложении внешнего поля на образец из ферромагнитного материала его намагниченность изменяется небольшими дискретными порциями. Для выявления доменной структуры магнита методом порошковых фигур, на хорошо отполированную поверхность намагниченного материала наносят каплю коллоидной суспензии ферромагнитного порошка (окись железа). Частицы порошка оседают в основном в местах максимальной неоднородности магнитного поля - на границах доменов. Такую структуру можно изучать под микроскопом. Разработан метод изучения магнитного поля, основанный на прохождении поляризованного света сквозь прозрачный ферромагнитный материал.

В свободном атоме железа две его оболочки (K и L ), ближайшие к ядру, заполнены электронами, причем на первой из них размещены два, а на второй - восемь электронов. В K -оболочке спин одного из электронов положителен, а другого - отрицателен. В L -оболочке (точнее, в двух ее подоболочках) у четырех из восьми электронов положительные, а у других четырех - отрицательные спины. В обоих случаях спины электронов в пределах одной оболочки полностью компенсируются, так что полный магнитный момент атома равен нулю. В M -оболочке ситуация иная, поскольку из шести электронов, находящихся в третьей подоболочке, пять электронов имеют спины, направление

Магнитное поле – особая форма материи, существующая вокруг движущихся электрических зарядов – токов.

Источниками магнитного поля являются постоянные магниты, проводники с током. Обнаружить магнитное поле можно по действию на магнитную стрелку, проводник с током и движущиеся заряженные частицы.

Для исследования магнитного поля используют замкнутый плоский контур с током (рамку с током).

Впервые поворот магнитной стрелки около проводника, по которому протекает ток, обнаружил в 1820 году Эрстед. Ампер наблюдал взаимодействие проводников, по которым протекал ток: если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются, если токи в проводниках текут в противоположных направлениях, то они отталкиваются.

Свойства магнитного поля:

  • магнитное поле материально;
  • источник и индикатор поля – электрический ток;
  • магнитное поле является вихревым – его силовые линии (линии магнитной индукции) замкнутые;
  • величина поля убывает с расстоянием от источника поля.

Важно!
Магнитное поле не является потенциальным. Его работа на замкнутой траектории может быть не равна нулю.

Магнитным взаимодействием называют притяжение или отталкивание электрически нейтральных проводников при пропускании через них электрического тока.

Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов объясняется так: всякий движущийся электрический заряд создает в пространстве магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы.

Силовая характеристика магнитного поля – вектор магнитной индукции ​\(\vec{B} \) ​. Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, к силе тока в проводнике ​\(I \) ​ и его длине ​\(l \) ​:

Обозначение – \(\vec{B} \) , единица измерения в СИ – тесла (Тл).

1 Тл – это индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила 1 Н.

Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением от южного полюса к северному полюсу магнитной стрелки (направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки), свободно установившейся в магнитном поле.

Направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика :

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Для определения магнитной индукции нескольких полей используется принцип суперпозиции :

магнитная индукция результирующего поля, созданного несколькими источниками, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым источником в отдельности:

Поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению, называется однородным .

Наглядно магнитное поле изображают в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукции – это воображаемая линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.

Свойства магнитных линий:

  • магнитные линии непрерывны;
  • магнитные линии замкнуты (т.е. в природе не существует магнитных зарядов, аналогичных электрическим зарядам);
  • магнитные линии имеют направление, связанное с направлением тока.

Густота расположения позволяет судить о величине поля: чем гуще расположены линии, тем сильнее поле.

На плоский замкнутый контур с током, помещенный в однородное магнитное поле, действует момент сил ​\(M \) ​:

где ​\(I \) ​ – сила тока в проводнике, ​\(S \) ​ – площадь поверхности, охватываемая контуром, ​\(B \) ​ – модуль вектора магнитной индукции, ​\(\alpha \) ​ – угол между перпендикуляром к плоскости контура и вектором магнитной индукции.

Тогда для модуля вектора магнитной индукции можно записать формулу:

где максимальный момент сил соответствует углу ​\(\alpha \) ​ = 90°.

В этом случае линии магнитной индукции лежат в плоскости рамки, и ее положение равновесия является неустойчивым. Устойчивым будет положение рамки с током в случае, когда плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции.

Постоянные магниты – это тела, длительное время сохраняющие намагниченность, то есть создающие магнитное поле.

Основное свойство магнитов: притягивать тела из железа или его сплавов (например стали). Магниты бывают естественные (из магнитного железняка) и искусственные, представляющие собой намагниченные железные полосы. Области магнита, где его магнитные свойства выражены наиболее сильно, называют полюсами. У магнита два полюса: северный ​\(N \) ​ и южный ​\(S \) ​.

Важно!
Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса и входят в южный полюс.

Разделить полюса магнита нельзя.

Объяснил существование магнитного поля у постоянных магнитов Ампер. Согласно его гипотезе внутри молекул, из которых состоит магнит, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи ориентированы определенным образом, то их действия складываются и тело проявляет магнитные свойства. Если эти токи расположены беспорядочно, то их действие взаимно компенсируется и тело не проявляет магнитных свойств.

Магниты взаимодействуют: одноименные магнитные полюса отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Магнитное поле проводника с током

Электрический ток, протекающий по проводнику с током, создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле.

Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током.

Направление линий магнитного поля вокруг проводника с током всегда находится в строгом соответствии с направлением тока, проходящего по проводнику.

Направление магнитных силовых линий можно определить по правилу буравчика : если поступательное движение буравчика (1) совпадает с направлением тока (2) в проводнике, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий (4) магнитного поля вокруг проводника.

При изменении направления тока линии магнитного поля также изменяют свое направление.

По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, индукция магнитного поля уменьшается.

Направление тока в проводнике принято изображать точкой, если ток идет к нам, и крестиком, если ток направлен от нас.

Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое устройство называют катушкой.

В проводнике, согнутом в виде витка, магнитные поля, образованные всеми участками этого проводника, будут внутри витка иметь одинаковое направление. Поэтому интенсивность магнитного поля внутри витка будет больше, чем вокруг прямолинейного проводника. При объединении витков в катушку магнитные поля, созданные отдельными витками, складываются. При этом концентрация силовых линий внутри катушки возрастает, т. е. магнитное поле внутри нее усиливается.

Чем больше ток, проходящий через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катушкой магнитное поле. Магнитное поле снаружи катушки также складывается из магнитных полей отдельных витков, однако магнитные силовые линии располагаются не так густо, вследствие чего интенсивность магнитного поля там не столь велика, как внутри катушки.

Магнитное поле катушки с током имеет такую же форму, как и поле прямолинейного постоянного магнита: силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят в другой ее конец. Поэтому катушка с током представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такую катушку называют электромагнитом .

Направление линий магнитной индукции катушки с током находят по правилу правой руки :

если мысленно обхватить катушку с током ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в ее витках, тогда большой палец укажет направление вектора магнитной индукции.

Для определения направления линий магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно использовать также правило буравчика :

если вращать ручку буравчика по направлению тока в витке или катушке, то поступательное движение буравчика укажет направление вектора магнитной индукции.

Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Полярность электромагнита (направление магнитного поля) можно определить и с помощью правила правой руки.

Сила Ампера

Сила Ампера – сила, которая действует на проводник с током, находящийся в магнитном поле.

Закон Ампера: на проводник c током силой ​\(I \) ​ длиной ​\(l \) ​, помещенный в магнитное поле с индукцией ​\(\vec{B} \) ​, действует сила, модуль которой равен:

где ​\(\alpha \) ​ – угол между проводником с током и вектором магнитной индукции ​\(\vec{B} \) ​.

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки : если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​\(B_\perp \) ​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.

Сила Ампера не является центральной. Она направлена перпендикулярно линиям магнитной индукции.

Сила Ампера широко используется. В технических устройствах создают магнитное поле с помощью проводников, по которым течет электрический ток. Электромагниты используют в электромеханическом реле для дистанционного выключения электрических цепей, магнитном подъемном кране, жестком диске компьютера, записывающей головке видеомагнитофона, в кинескопе телевизора, мониторе компьютера. В быту, на транспорте и в промышленности широко применяют электрические двигатели. Взаимодействие электромагнита с полем постоянного магнита позволило создать электроизмерительные приборы (амперметр, вольтметр).

Простейшей моделью электродвигателя служит рамка с током, помещенная в магнитное поле постоянного магнита. В реальных электродвигателях вместо постоянных магнитов используют электромагниты, вместо рамки – обмотки с большим числом витков провода.

Коэффициент полезного действия электродвигателя:

где ​\(N \) ​ – механическая мощность, развиваемая двигателем.

Коэффициент полезного действия электродвигателя очень высок.

Алгоритм решения задач о действии магнитного поля на проводники с током:

  • сделать схематический чертеж, на котором указать проводник или контур с током и направление силовых линий поля;
  • отметить углы между направлением поля и отдельными элементами контура;
  • используя правило левой руки, определить направление силы Ампера, действующей на проводник с током или на каждый элемент контура, и показать эти силы на чертеже;
  • указать все остальные силы, действующие на проводник или контур;
  • записать формулы для остальных сил, упоминаемых в задаче. Выразить силы через величины, от которых они зависят. Если проводник находится в равновесии, то необходимо записать условие его равновесия (равенство нулю суммы сил и моментов сил);
  • записать второй закон Ньютона в векторном виде и в проекциях;
  • решение проверить.

Сила Лоренца

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Формула для нахождения силы Лоренца:

где ​\(q \) ​ – заряд частицы, ​\(v \) ​ – скорость частицы, ​\(B \) ​ – модуль вектора магнитной индукции, ​\(\alpha \) ​ – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки : если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​\(B_\perp \) ​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.

Если заряд частицы отрицательный, то направление силы изменяется на противоположное.

Важно!
Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно.

В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.

Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:

где ​\(m \) ​ – масса частицы, ​\(v \) ​ – скорость частицы, ​\(B \) ​ – модуль вектора магнитной индукции, ​\(q \) ​ – заряд частицы.

В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для вычисления периода обращения частицы:

Угловая скорость движения заряженной частицы:

Важно!
Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца изменяется направление скорости частицы .

Если вектор скорости направлен под углом ​\(\alpha \) ​ (0° < \(\alpha \) < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.

В этом случае вектор скорости частицы можно представить как сумму двух векторов скорости, один из которых, ​\(\vec{v}_2 \) ​, параллелен вектору \(\vec{B} \) , а другой, \(\vec{v}_1 \) , – перпендикулярен ему. Вектор \(\vec{v}_1 \) не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор \(\vec{v}_2 \) меняется по направлению. Сила Лоренца будет сообщать движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости \(\vec{v}_1 \) . Частица будет двигаться по окружности. Период обращения частицы по окружности – ​\(T \) ​.

Таким образом, на равномерное движение вдоль линии индукции будет накладываться движение по окружности в плоскости, перпендикулярной вектору \(\vec{B} \) . Частица движется по винтовой линии с шагом ​\(h=v_2T \) ​.

Важно!
Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:

Особенности движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах – устройствах для измерения масс заряженных частиц; ускорителях частиц; для термоизоляции плазмы в установках «Токамак».

Алгоритм решения задач о действии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:

  • сделать чертеж, указать на нем силовые линии магнитного (и электрического) поля, нарисовать вектор начальной скорости частицы и отметить знак ее заряда;
  • изобразить силы, действующие на заряженную частицу;
  • определить вид траектории частицы;
  • разложить силы, действующие на заряженную частицу, вдоль направления магнитного поля и по направлению, ему перпендикулярному;
  • составить основное уравнение динамики материальной точки по каждому из направлений разложения сил;
  • выразить силы через величины, от которых они зависят;
  • решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
  • решение проверить.

Основные формулы раздела «Магнитное поле»

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.

Если= 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.

Фарадей 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.

Токи 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 полясвязано с изменением напряжённости электрического поляправилом 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.

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:

  • магнитное поле действует на движущиеся заряды и токи;
  • магнитное поле возникает вокруг токов и движущихся зарядов.

Взаимодействие магнитов

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.

Опыт Эрстэда. Магнитное поле тока

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.

Сила, действующая в магнитном поле на проводник с током

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):

Магнитное поле. Таблицы, схемы, формулы

(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)

Представляет собой силовое поле, воздействующее на электрические заряды и на тела, находящиеся в движении и имеющие магнитный момент, вне зависимости от состояния их движения. Магнитное поле является частью электромагнитного поля.

Ток заряженных частиц либо магнитные моменты электронов в атомах создают магнитное поле. Также, магнитное поле возникает в результате определенных временных изменений электрического поля.

Вектор индукции магнитного поля В представляет собой главную силовую характеристику магнитного поля. В математике В = В (X,Y,Z) определяется как векторное поле. Это понятие служит для определения и конкретизации физического магнитного поля. В науке зачастую вектор магнитной индукции попросту, для краткости, именуется магнитным полем. Очевидно, что такое применение допускает некоторую вольную трактовку этого понятия.

Ещё одной характеристикой магнитного поля тока есть векторные потенциал.

В научной литературе часто можно встретить, что в качестве главной характеристики магнитного поля, в условиях отсутствия магнитной среды (вакууме), рассматривается вектор напряжённости магнитного поля. Формально, такая ситуация вполне приемлема, поскольку в вакууме вектор напряженности магнитного поля H и вектор магнитной индукции B совпадают. В тоже время, вектор напряженности магнитного поля в магнитной среде не наполнен тем же физическим смыслом, и является второстепенной величиной. Исходя из этого при формальной равенства этих подходов для вакуума, систематическая точка зрения рассматривает вектор магнитной индукции основной характеристикой магнитного поля тока .

Магнитное поле, безусловно, представляет собой особенный вид материи. С помощью этой материи происходит взаимодействие между обладающими магнитным моментом и движущимися заряженными частицами либо телами.

Специальная теория относительности рассматривает магнитные поля как следствие существования самих электрических полей.

В совокупности магнитное и электрическое поля формируют электромагнитное поле. Проявлениями электромагнитного поля является свет и электромагнитные волны.

Квантовая теория магнитного поля рассматривает магнитное взаимодействие как отдельный случай электромагнитного взаимодействия. Он переносится безмассовым бозоном. Бозон представляет собой фотон - частицу, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля.

Порождается магнитное поле либо током заряженных частиц, либо трансформирующимся во временном пространстве электрическим полем, либо собственными магнитными моментами частиц. Магнитные моменты частиц для однообразного восприятия формально сводятся к электрическим токам.

Вычисление значения магнитного поля.

Простые случаи позволяют вычислить значения магнитного поля проводника с током по закону Био-Савара-Лапласа, либо при помощи теоремы о циркуляции. Таким же образом может быть найдено значение магнитного поля и для тока, произвольно распределённого в объёме или пространстве. Очевидно, эти законы применимы для постоянных либо относительно медленно изменяющихся магнитных и электрических полей. То есть, в случаях наличия магнитостатики. Более сложные случаи требуют вычисления значения магнитного поля тока согласно уравнений Максвелла.

Проявление наличия магнитного поля.

Основным проявлением магнитного поля является влияние на магнитные моменты частиц и тел, на заряженные частицы находящиеся в движении. Силой Лоренца называется сила, которая воздействует на электрически заряженную частицу, которая движется в магнитном поле. Эта сила имеет постоянно выраженную перпендикулярную направленность к векторам v и B. Она также имеет пропорциональное значение заряду частицы q, составляющей скорости v, осуществляющейся перпендикулярно направлению вектора магнитного поля B, и величине, которая выражает индукцию магнитного поля B. Сила Лоренца согласно Международной системе единиц имеет такое выражение: F = q , в системе единиц СГС: F = q / c

Векторное произведение отображено квадратными скобками.

В результате влияния силы Лоренца на движущиеся по проводнику заряженные частицы, магнитное поле и может осуществлять воздействие на проводник с током. Силой Ампера является сила, действующая на проводник с током. Составляющими этой силы считаются силы, воздействующие на отдельные заряды, которые движутся внутри проводника.

Явление взаимодействия двух магнитов.

Явление магнитного поля, которое мы можем встретить в повседневной жизни, получило название взаимодействие двух магнитов. Оно выражается в отталкивании друг от друга одинаковых полюсов и притяжении противоположных полюсов. С формальной точки зрения описать взаимодействия между двумя магнитами как взаимодействие двух монополей, является достаточно полезной, реализуемой и удобной идеей. В то же время, детальный анализ свидетельствует, что в действительности это не совсем верное описание явления. Основным вопросом, остающимся без ответа в рамках такой модели, является, почему монополя не могут быть разделены. Собственно, экспериментально доказано, что любое изолированное тело не имеет магнитный заряд. Также эту модель невозможно применить к магнитному полю, созданному макроскопическим током.

С нашей точки зрения, правильно считать, что сила, действующая на магнитный диполь, находящийся в неоднородном поле, стремится развернуть его таким образом, чтобы магнитный момент диполя имел одинаковое с магнитным полем направление. Однако нет магнитов, которые подвержены воздействию суммарной силы со стороны однородного магнитного поля тока . Сила, которая действует на магнитный диполь с магнитным моментом m выражается следующей формулой:

.

Действующая на магнит сила со стороны неоднородного магнитного поля, выражается суммой всех сил, которые определяются данной формулой, и воздействующих на элементарные диполи, которые составляют магнит.

Электромагнитная индукция.

В случае изменения во времени потока вектора магнитной индукции через замкнутый контур, в этом контуре формируется ЭДС электромагнитной индукции. Если контур неподвижен, она порождается вихревым электрическим полем, которое возникает в результате изменения магнитного поля со временем. Когда магнитное поле не изменяется со временем и нет изменений потока из-за движения контура-проводника, то ЭДС порождается силой Лоренца.