Wat is een elektrisch magnetisch veld. Magnetisch veld en zijn eigenschappen

Invoering

Wat is een magnetisch veld? Iedereen hoorde over hem, iedereen zag hoe de gemagnetiseerde kompasnaald altijd met één en hetzelfde uiteinde naar de magnetische noordpool draait en met het andere uiteinde altijd naar de magnetische zuidpool. Wat een mens onderscheidt van het meest intelligente dier, is dat hij nieuwsgierig is en wil weten waarom dit gebeurt, hoe het werkt, dat dit gebeurt. Het was om uit te leggen wat er om hem heen gebeurde dat de oude man de goden uitvond. Geesten, goden in de hoofden van mensen waren factoren die alles verklaarden wat een persoon zag, hoorde, van welk geluk afhing van jacht en oorlog, die de zon langs de hemel bewoog, die een onweersbui regelde, stortte regen en sneeuwde, in het algemeen, alles, alles wat er gebeurt. Stel je voor, een kleine kleinzoon komt naar grootvader toe, wijst naar een bliksemschicht en vraagt: wat is het, waarom vliegt vuur uit een wolk de grond in, en wie klopt daar zo hard in de wolken? Als de grootvader antwoordde: ik weet het niet, dan keek de kleinzoon hem met spijt aan en begon hem minder te respecteren. Maar toen de grootvader zei dat deze god Yarilo op een strijdwagen door de wolken rijdt en vurige pijlen naar binnen schiet slechte mensen laten we gaan, de kleinzoon luisterde en respecteerde zijn grootvader nog meer. Hij begon minder bang te zijn voor donder en bliksem, omdat hij wist dat hij goed was, dus Yarilo zou niet op hem schieten.

BIJ vroege kinderjaren, toen ik grappen begon uit te halen, zei grootmoeder Anna: "Shurka, kijk, wees geen sjaals, anders slaat God een kiezelsteen." En tegelijkertijd wees ze naar het icoontje in de rode hoek op de plankgod. Ik kalmeerde een tijdje, keek voorzichtig naar de strenge boer die op het bord was getekend, maar op de een of andere manier twijfelde ik aan zijn vermogen om met stenen te gooien. Hij zette een kruk op de bank, klom erop en keek op de plank achter de icoon. Ik zag daar geen kiezelstenen, en toen de grootmoeder me weer bang begon te maken, lachte hij en zei: “Hij heeft geen stenen, en over het algemeen is hij geverfd en kan hij zichzelf niet werpen. Op dezelfde manier betwijfelde onze verre voorouder eens of het Yarilo was die door de lucht reed en pijlen afschoot. Het was toen dat rationele kennis werd geboren, toen mensen begonnen te twijfelen aan de almacht van de goden. Maar waarmee hebben ze ze vervangen? En ze vervingen de goden door de natuurwetten en begonnen sterk in deze wetten te geloven. Maar waar de mens door de natuurwetten niet kan verklaren wat er gebeurt, liet hij plaats voor de goden. Daarom bestaan religie en wetenschap tot op de dag van vandaag naast elkaar in de samenleving.

Ik herinner me hoe oudere vrienden ons kinderen een truc lieten zien. Een ijzeren spijker die op de tafel was geplaatst, bewoog vanzelf over de tafel en de goochelaar onder de tafel bewoog zijn hand. De spijker volgde de hand. We staarden hier verbaasd naar en begrepen niet waarom de spijker bewoog. Toen ik mijn moeder over deze truc vertelde, legde ze uit dat de man een magneet in zijn hand had die ijzer naar zich toe trok, dat de man onder de tafel niet alleen zijn hand bewoog, maar dat hij een magneet in zijn hand had. In die tijd bevredigde deze uitleg mijn nieuwsgierigheid, maar even later wilde ik al begrijpen waarom een magneet op afstand - door een tafelblad, door een luchtlaag - ijzer naar zich toe trekt. Noch mijn moeder, noch mijn vader konden deze vraag beantwoorden. Ik moest wachten tot school. Daar legde de leraar in een natuurkundeles uit dat een magneet op ijzer inwerkt door een magnetisch veld dat rondom zichzelf creëert, dat een magneet twee polen heeft - noord en zuid, dat sommige onzichtbare magnetische krachtlijnen uit het noorden komen, die buig in een boog en ga de Zuidpool binnen.

Toen dacht ik voor het eerst: het betekent dat er in de wereld, naast het zichtbare, hoorbare en tastbare, iets onzichtbaars en ongrijpbaars is. Toen dacht ik: wat als God onzichtbaar en ongrijpbaar is - zoals dit magnetische veld. Het lijkt nergens te zijn, maar het bestaat nog steeds. En op de iconen in de vorm van een boer wordt hij zo dwaas afgebeeld. Ik wist toen niet dat de filosoof Spinoza, die de natuur en God als één en onafscheidelijk, zichtbaar en onzichtbaar begon te beschouwen, daar zelfs vóór mij aan had gedacht. De natuur is God!

Ik herinner me dat ik me dit magnetische veld, bestaande uit krachtlijnen, probeerde voor te stellen en er niets van begreep. Ik heb deze regels niet gezien of gehoord. Ze roken nergens naar en het was me toen niet erg duidelijk om te geloven dat er iets om ons heen zou kunnen zijn dat we op geen enkele manier voelen. IJzeren spijkers en zaagsel voelden het magnetische veld en oriënteerden en bewogen erin, maar ik, met mijn subtiele zintuigen, voelde niets. Deze minderwaardigheid drukte me eerlijk gezegd. Maar niet alleen ik. A. Einstein schreef over de sterke verbazing over de eigenschappen van de magneet die hij zag, die zijn vader hem als kind voor zijn verjaardag gaf, uit het feit dat hij niet kon begrijpen hoe en waarom deze aantrekkelijke eigenschappen van de magneet ontstaan.

Toen de leraar sociale wetenschappen al in de 10e klas ons kennis liet maken met de definitie van materie gegeven door V.I. Lenin: "materie is wat er om ons heen bestaat en ons in sensaties wordt gegeven", vroeg ik haar verontwaardigd: "maar we voelen het magnetische veld niet, maar het bestaat, is het niet materie?" Ja, de zintuigen alleen zijn niet voldoende om alle vormen van materie waar te nemen, er is een andere geest nodig, met behulp waarvan, als we iets niet voelen, we het niet voelen, dan begrijpen we dat het bestaat. Nadat ik dit had begrepen, besloot ik wetenschappen te studeren en mijn geest te ontwikkelen, in de hoop dat ik hierdoor veel zou begrijpen. Maar toen ik de ruimte van wat voor mij begrijpelijk was uitbreidde, verdween het onbegrijpelijke niet, maar bewoog het alleen weg, en de lijn van de horizon van het onbegrijpelijke werd langer, naarmate de cirkel van het bekende groter werd en de lengte van zijn omtrek, het scheiden van wat door mijn geest werd begrepen van het onbekende en onbegrijpelijke, nam ook toe. Dit is de belangrijkste paradox van kennis: hoe meer we leren en begrijpen, hoe meer we nog niet weten. Nicolaas van Cusa, die om de een of andere reden als een scholastieke filosoof wordt beschouwd, schreef over deze wetenschappelijke onwetendheid, hoewel de waarheid die hij ontdekte eerder suggereert dat hij een dialecticus was.

De eerste vermelding van rotsen die ijzer kunnen aantrekken dateert uit de oudheid. Verbonden met een magneet oude legende over de herder Magnus, die ooit ontdekte dat zijn ijzeren staf en sandalen bekleed met ijzeren spijkers werden aangetrokken door een onbekende steen. Sindsdien wordt deze steen de "steen van Magnus" of een magneet genoemd.

Oorsprong en essentie magnetisch veld De aarde blijft, net als magnetische velden in het algemeen, tot op de dag van vandaag een mysterie. Er zijn veel hypothesen - opties om dit fenomeen te verklaren, maar de waarheid is nog steeds 'daarbuiten'. Dit is hoe het magnetische veld wordt gedefinieerd natuurkundigen: "Een magnetisch veld is een krachtveld dat inwerkt op beweging elektrische ladingen en op lichamen die een magnetisch moment hebben, ongeacht de staat van hun beweging." En verder: "Een magnetisch veld kan ontstaan door de stroom van geladen deeltjes en/of magnetische momenten van elektronen in atomen (en magnetische momenten van andere deeltjes , zij het in veel mindere mate). Bovendien verschijnt het in de aanwezigheid van een in de tijd variërend elektrisch veld. "Ik zou niet zeggen dat dit vanuit een logisch oogpunt een briljante definitie is. Zeggen dat een magnetisch veld een krachtveld is, betekent niets zeggen, het is een tautologie, het zwaartekrachtveld is immers ook een krachtveld en een veld nucleaire krachten- stroom! Een indicatie van het effect van een magnetisch veld op bewegende elektrische ladingen zegt wat, dit is een beschrijving van één van de eigenschappen van een magnetisch veld. Maar het is niet duidelijk of het magnetische veld rechtstreeks inwerkt op deeltjes die elektrische ladingen hebben, of dat het inwerkt op de magnetische velden die door deze deeltjes worden gevormd, en die (getransformeerde deeltjesvelden) werken op hun beurt in op de deeltjes - ze brengen het ontvangen momentum over naar hen.

Voor het eerst begonnen magnetische verschijnselen te worden bestudeerd door de Engelse arts en natuurkundige William Gilbert, die het werk "Over de magneet, magnetische lichamen en de grote magneet - de aarde" schreef. Toen geloofde men dat elektriciteit en magnetisme niets gemeen hebben. Maar in vroege XIX in. Deense wetenschapper G.Kh. Oersted bewees in 1820 experimenteel dat magnetisme een van de verborgen vormen van elektriciteit is, en bevestigde dit experimenteel. Deze ervaring leidde tot een lawine van nieuwe ontdekkingen grote waarde. Rond de geleiders met elektrische stroom ontstaat een veld, dat werd genoemd magnetisch. Een bundel bewegende elektronen heeft een effect op een magnetische naald, vergelijkbaar met een stroomvoerende geleider (experiment van Ioffe). Convectiestromen van elektrisch geladen deeltjes zijn vergelijkbaar met geleidingsstromen in hun werking op een magnetische naald (experiment van Eichenwald).

Het magnetische veld wordt alleen gecreëerd door elektrische ladingen te verplaatsen of bewegende elektrisch geladen lichamen, evenals permanente magneten. Dit magnetische veld verschilt van het elektrische veld, dat wordt gecreëerd door zowel bewegende als stationaire elektrische ladingen.

De lijnen van de magnetische inductievector (B) zijn altijd gesloten en bedekken de geleider met stroom, en de lijnen van het elektrische veld beginnen op positieve en eindigen op negatieve ladingen, ze zijn open. De lijnen van magnetische inductie van een permanente magneet komen uit de ene pool, het noorden (N) genoemd, en gaan de andere binnen - zuid (S). In eerste instantie lijkt er een volledige analogie te zijn met de lijnen van elektrische veldsterkte (E). De polen van magneten spelen de rol van magnetische ladingen. Als je de magneet echter doorsnijdt, blijft de afbeelding behouden, krijg je kleinere magneten - maar elk met zijn eigen noord- en zuidpool. Het is onmogelijk om de magnetische polen zo te scheiden dat de noordpool aan het ene stuk is en de zuidpool aan het andere, omdat vrije (discrete) magnetische ladingen, in tegenstelling tot discrete elektrische ladingen, in de natuur niet bestaan.

De magnetische velden die in de natuur bestaan, zijn divers in schaal en in de effecten die ze veroorzaken. Het magnetische veld van de aarde, dat de magnetosfeer van de aarde vormt, strekt zich uit over een afstand van 70-80 duizend kilometer in de richting van de zon en over vele miljoenen kilometers in de richting van de zon. tegengestelde richting. De oorsprong van het aardmagnetisch veld wordt geassocieerd met de bewegingen van een vloeibare substantie die elektrisch geladen deeltjes in de kern van de aarde geleidt. Jupiter en Saturnus hebben krachtige magnetische velden. Het magnetische veld van de zon speelt essentiële rol in alle processen die plaatsvinden op de zon - fakkels, het verschijnen van vlekken en uitsteeksels, de geboorte van kosmische zonnestraling. Het magnetische veld wordt veel gebruikt in verschillende industrieën: bij het laden van ijzerschroot, bij het reinigen van meel in bakkerijen van metaalonzuiverheden, en ook in de geneeskunde voor de behandeling van patiënten.

Wat is een magnetisch veld

Het belangrijkste vermogenskenmerk van het magnetische veld is magnetische inductievector. Vaak wordt de vector van magnetische inductie kortheidshalve eenvoudigweg een magnetisch veld genoemd (hoewel dit waarschijnlijk niet het meest strikte gebruik van de term is). In feite is een vector een grootheid die een richting in de ruimte heeft, daarom kunnen we praten over de richting van magnetische inductie en de grootte ervan. Maar om te zeggen dat het magnetische veld alleen de richting van magnetische inductie is, betekent niet veel uitleggen. Er is nog een kenmerk van het magnetische veld - vector potentieel. Als belangrijkste kenmerk van het magnetische veld in vacuüm wordt niet de vector van magnetische inductie gekozen, maar de vector Magnetische veldsterkte. In vacuüm vallen deze twee vectoren samen, maar niet in materie, maar vanuit een systematisch oogpunt moet het precies als het belangrijkste kenmerk van het magnetische veld worden beschouwd vector potentieel.

Een magnetisch veld kan een speciaal soort materie worden genoemd, waardoor interactie plaatsvindt tussen bewegende geladen deeltjes of lichamen die een magnetisch moment hebben. Magnetische velden zijn een noodzakelijk (in de context van de speciale relativiteitstheorie) consequentie van het bestaan van elektrische velden. Magnetische en elektrische velden vormen samen een elektromagnetisch veld, waarvan de manifestaties met name licht en alle andere elektromagnetische golven zijn. Vanuit oogpunt Kwantum theorie velden, magnetische interactie - hoe speciaal geval elektromagnetische interactie - wordt gedragen door een fundamenteel massaloos boson - een foton (een deeltje dat kan worden weergegeven als een kwantumexcitatie van een elektromagnetisch veld), vaak (bijvoorbeeld in alle gevallen van statische velden) virtueel. Het magnetische veld wordt gecreëerd (gegenereerd) door de stroom van geladen deeltjes, of door een in de tijd variërend elektrisch veld, of door de intrinsieke magnetische momenten van de deeltjes (deze laatste kunnen ter wille van de uniformiteit van het beeld formeel worden gereduceerd op elektrische stromen).

Naar mijn mening zijn deze definities erg vaag. Het is duidelijk dat het magnetische veld geen leegte is, maar speciale soort zaak - deel echte wereld. Het is duidelijk dat het magnetische veld onlosmakelijk verbonden is met de beweging van elektrische ladingen - elektrische stroom. Maar hoe een magnetisch veld met een elektrisch veld een enkel elektromagnetisch veld vormt, is niet duidelijk. Hoogstwaarschijnlijk is er een bepaald verenigd veld, dat zich, afhankelijk van de omstandigheden, manifesteert als een magnetisch veld of als een elektrisch veld. Net als een soort hermafrodiet, die in bepaalde omstandigheden een jongen kan zijn en in andere omstandigheden een meisje.

De kracht die werkt op een elektrisch geladen deeltje dat in een magnetisch veld beweegt, wordt de Lorentzkracht genoemd. Deze kracht is altijd loodrecht op de vector gericht deeltjessnelheid - v en vector potentieel magnetisch veld - B. Deze kracht is evenredig met de lading van het deeltje q, zijn snelheid v, loodrecht op de richting van de magnetische veldvector B en is evenredig met de grootte van de magnetische veldinductie B. Laat me uitleggen aan degenen die de schoolfysica volledig zijn vergeten: kracht is de reden die de versnelling van de beweging van lichamen veroorzaakt. Hier werkt de kracht niet op de massa van het deeltje, maar op zijn lading. Hierin verschilt de Lorentz-kracht van de zwaartekracht, die werkt op de massa van deeltjes (lichamen), aangezien de massa van een lichaam de zwaartekrachtlading is.

Het magnetische veld werkt ook op een stroomvoerende geleider. De kracht die op een stroomvoerende geleider werkt, wordt de ampèrekracht genoemd. Deze kracht is de som van de krachten die werken op individuele elektrische ladingen die in de geleider bewegen. Dit is de stroom, gemeten in ampère.

Wanneer twee magneten op elkaar inwerken, stoten dezelfde polen elkaar af en trekken de tegenovergestelde polen elkaar aan. Echter gedetailleerde analyse laat zien dat dit in feite geen geheel juiste omschrijving van het fenomeen is. Het is niet duidelijk waarom dipolen nooit kunnen worden gescheiden binnen het kader van een dergelijk model. Het experiment laat zien dat geen enkel geïsoleerd lichaam daadwerkelijk een magnetische lading van hetzelfde teken heeft. Elk gemagnetiseerd lichaam heeft twee polen - noord en zuid. Er werkt een kracht op een magnetische dipool die in een niet-uniform magnetisch veld is geplaatst, waardoor deze de neiging heeft om te roteren zodat het magnetische moment van de dipool samenvalt met het magnetische veld waarin deze magnetische dipool was geplaatst.

In 1831 ontdekte Michael Faraday dat een gesloten geleider, wanneer deze in een veranderend magnetisch veld wordt geplaatst, een elektrische stroom produceert. Dit fenomeen is benoemd elektromagnetische inductie.

M. Faraday ontdekte dat de elektromotorische kracht (EMV) die optreedt in een gesloten geleidend circuit evenredig is met de veranderingssnelheid van de magnetische flux die door het deel van het elektrische circuit gaat dat zich in dit magnetische veld bevindt. De waarde (EMF) is niet afhankelijk van wat de verandering in de flux veroorzaakt - een verandering in het magnetische veld zelf of de beweging van een deel van het circuit in een magnetisch veld. De elektrische stroom veroorzaakt door EMF wordt geïnduceerde stroom genoemd. Deze ontdekking maakte het mogelijk om elektrische stroomgeneratoren te maken en in feite onze te creëren elektrische beschaving. Wie had in de jaren 30 van de 19e eeuw gedacht dat de ontdekking van M. Faraday een baanbrekende beschavingsontdekking was die de toekomst van de mensheid bepaalde?

Het magnetische veld kan op zijn beurt worden gecreëerd en veranderd (verzwakt of versterkt) door een wisselend elektrisch veld dat wordt gecreëerd door elektrische stromen in de vorm van stromen van geladen deeltjes. De microscopische structuur van een stof die in een wisselend magnetisch veld wordt geplaatst, beïnvloedt de sterkte van de stroom die erin ontstaat. Sommige structuren verzwakken de opkomende elektrische stroom, terwijl andere deze in verschillende mate versterken. Een van de eerste onderzoeken naar de magnetische eigenschappen van materie werd uitgevoerd door Pierre Curie. In dit opzicht zijn stoffen met betrekking tot hun magnetische eigenschappen verdeeld in twee hoofdgroepen:

1. Ferromagneten - stoffen waarin, onder een bepaalde kritische temperatuur (Curie-punten), een ferromagnetische ordening over lange afstand van de magnetische momenten van de deeltjes van de stof wordt vastgesteld.

2. Antiferromagneten - stoffen waarin de antiferromagnetische volgorde van de magnetische momenten van de materiedeeltjes - atomen of ionen - is vastgesteld: de magnetische momenten van de deeltjes van de substantie zijn tegengesteld gericht en even sterk.

Er zijn ook stoffen van diamagneten en stoffen van paramagneten.

Diamagneten zijn stoffen die tegen de richting van een extern magnetisch veld worden gemagnetiseerd.

Paramagneten zijn stoffen die in een extern magnetisch veld worden gemagnetiseerd in de richting van het externe magnetische veld.

Soorten ordening van magnetische momenten van atomen in paramagnetische (a), ferromagnetische (b) en antiferromagnetische (c) stoffen. Afbeelding van de site: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

De bovenstaande groepen stoffen omvatten voornamelijk gewone vaste, vloeibare en gasvormige stoffen. Supergeleiders en plasma's verschillen wezenlijk van hen in hun interactie met het magnetische veld.

Het magnetische veld van ferromagneten (een voorbeeld is ijzer) is op aanzienlijke afstand waarneembaar.

De magnetische eigenschappen van paramagneten zijn vergelijkbaar met die van ferromagneten, maar zijn veel minder uitgesproken - op een kortere afstand.

Diamagneten worden niet aangetrokken, maar afgestoten door een magneet, de kracht die op diamagneten werkt is tegengesteld gericht aan die op ferromagneten en paramagneten.

Volgens de regel van Lenz wordt het magnetische veld van een in een magnetisch veld geïnduceerde elektrische stroom zo gericht dat de verandering in de magnetische flux die deze stroom induceert, wordt tegengegaan. Ik wil opmerken dat de interactie van een wisselend magnetisch veld en de daardoor veroorzaakte elektrische stroom en het elektrische veld overeenkomt met het Le Chatelier-principe. Dit is niets anders dan het automatisch afremmen van het proces, wat inherent is aan alle processen die in de echte wereld plaatsvinden.

Volgens het principe van Le Chatelier veroorzaakt elk proces dat zich in de wereld voordoet een proces dat de tegenovergestelde richting heeft en vertraagt het proces dat het veroorzaakt. Naar mijn mening is dit een van de hoofdwetten van het universum, waar om de een of andere reden noch natuurkundigen noch filosofen voldoende aandacht aan besteden.

Alle stoffen zijn in meer of mindere mate magnetisch. Als twee geleiders met elektrische stromen in een willekeurig medium worden geplaatst, verandert de sterkte van de magnetische interactie tussen de stromen. De inductie van een magnetisch veld gecreëerd door elektrische stromen in een stof verschilt van de inductie van een magnetisch veld gecreëerd door dezelfde stromen in een vacuüm. De fysieke grootheid die aangeeft hoe vaak de magnetische veldinductie in een homogeen medium in absolute waarde verschilt van de magnetische veldinductie in vacuüm, wordt magnetische permeabiliteit genoemd. Vacuüm heeft de maximale magnetische permeabiliteit.

De magnetische eigenschappen van stoffen worden bepaald door de magnetische eigenschappen van atomen - elektronen, protonen en neutronen waaruit atomen bestaan. De magnetische eigenschappen van protonen en neutronen zijn bijna 1000 keer zwakker dan de magnetische eigenschappen van elektronen. Daarom worden de magnetische eigenschappen van een stof voornamelijk bepaald door de elektronen waaruit de atomen bestaan.

Een van de belangrijkste eigenschappen van een elektron is dat het niet alleen een elektrisch maar ook een magnetisch veld heeft. Het eigen magnetische veld van een elektron, dat zogenaamd ontstaat als het om zijn as draait, wordt een spinveld (spin - rotatie) genoemd. Maar het elektron creëert door zijn beweging rond de atoomkern ook een magnetisch veld, dat kan worden vergeleken met een cirkelvormige microstroom. Spinvelden van elektronen en magnetische velden bepalen door hun orbitale bewegingen een breed scala aan magnetische eigenschappen van stoffen.

Gedrag van een paramagneet (1) en een diamagneet (2) in een inhomogeen magnetisch veld. Afbeelding van de site: http://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/paragraaf19/theory.html

Stoffen zijn zeer divers in hun magnetische eigenschappen. Platina, lucht, aluminium, ijzerchloride zijn bijvoorbeeld paramagnetisch en koper, bismut en water zijn diamagnetisch. Paramagnetische en diamagnetische monsters die in een inhomogeen magnetisch veld tussen de polen van een elektromagneet zijn geplaatst, gedragen zich anders - paramagneten worden in het gebied van een sterk veld getrokken, terwijl diamagneten er juist uit worden geduwd.

Para- en diamagnetisme wordt verklaard door het gedrag van elektronenbanen in een extern magnetisch veld. In atomen van diamagnetische stoffen worden, bij afwezigheid van een extern veld, hun eigen magnetische velden van elektronen en de velden gecreëerd door hun orbitale beweging volledig gecompenseerd. De opkomst van diamagnetisme wordt geassocieerd met de werking van de Lorentzkracht op elektronenbanen. Onder invloed van deze kracht verandert de aard van de orbitale beweging van elektronen en wordt de compensatie van magnetische velden geschonden. Het resulterende eigen magnetische veld van het atoom blijkt tegen de richting van de inductie van het externe veld gericht te zijn.

In atomen van paramagnetische stoffen worden de magnetische velden van elektronen niet volledig gecompenseerd en blijkt het atoom vergelijkbaar te zijn met een kleine cirkelvormige stroom. Bij afwezigheid van een extern veld zijn deze cirkelvormige microstromen willekeurig georiënteerd, zodat de totale magnetische inductie nul is. Het externe magnetische veld heeft een oriënterend effect - microstromen hebben de neiging zich zo te oriënteren dat hun eigen magnetische velden in de richting van de externe veldinductie worden gericht. Vanwege de thermische beweging van de atomen is de oriëntatie van de microstromen nooit volledig. Met een toename van het externe veld neemt het oriëntatie-effect toe, zodat de inductie van het intrinsieke magnetische veld van het paramagnetische monster recht evenredig toeneemt met de inductie van het externe magnetische veld. De totale inductie van het magnetische veld in het monster is de som van de inductie van het externe magnetische veld en de inductie van het intrinsieke magnetische veld dat is ontstaan tijdens het magnetisatieproces.

Atomen van welke stof dan ook hebben diamagnetische eigenschappen, maar in veel gevallen wordt hun diamagnetisme gemaskeerd door een sterk paramagnetisch effect. Het fenomeen diamagnetisme werd ontdekt door M. Faraday in 1845.

Ferromagneten kunnen sterk worden gemagnetiseerd in een magnetisch veld, hun magnetische permeabiliteit is zeer hoog. De groep in kwestie omvat vier chemische elementen: ijzer, nikkel, kobalt, gadolinium. Hiervan heeft ijzer de hoogste magnetische permeabiliteit. Verschillende legeringen van deze elementen kunnen ferromagneten zijn, bijvoorbeeld keramische ferromagnetische materialen - ferrieten.

Voor elke ferromagneet geldt een bepaalde temperatuur (het zogenaamde temperatuur- of Curiepunt), waarboven de ferromagnetische eigenschappen verdwijnen en de stof een paramagneet wordt. Voor ijzer is de Curie-temperatuur bijvoorbeeld 770°C, voor kobalt 1130°C, voor nikkel 360°C.

Ferromagnetische materialen zijn magnetisch zacht en magnetisch hard. Magnetisch zachte ferromagnetische materialen worden bijna volledig gedemagnetiseerd wanneer het externe magnetische veld nul wordt. Zachtmagnetische materialen zijn bijvoorbeeld puur ijzer, elektrisch staal en sommige legeringen. Deze materialen worden gebruikt in apparaten wisselstroom, waarin continue magnetisatie-omkering optreedt, dat wil zeggen een verandering in de richting van het magnetische veld (transformatoren, elektromotoren, enz.).

Magnetisch harde materialen behouden grotendeels hun magnetisering, ook nadat ze uit het magnetische veld zijn verwijderd. Voorbeelden van magnetisch harde materialen zijn koolstofstaal en een aantal speciale legeringen. Magnetisch harde materialen worden voornamelijk gebruikt voor de vervaardiging van permanente magneten.

karakteristieke eigenschap Het magnetisatieproces van ferromagneten is hysteresis, dat wil zeggen de afhankelijkheid van magnetisatie van de prehistorie van het monster. De magnetisatiecurve B(B0) van een ferromagnetisch monster is een lus complexe vorm, die de hysteresislus wordt genoemd.

Afhankelijkheid van de magnetische permeabiliteit van een ferromagneet van de inductie van een extern magnetisch veld. In het begin wordt een ferromagneet snel gemagnetiseerd, maar na het bereiken van een maximum wordt hij steeds langzamer gemagnetiseerd. Afbeelding van de site: http://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/paragraaf19/theory.html

Een typische hysteresislus voor een magnetisch hard ferromagnetisch materiaal. Op punt 2 wordt magnetische verzadiging bereikt. Segment 1-3 bepaalt de resterende magnetische inductie en segment 1-4 - de dwingende kracht, die het vermogen van het monster kenmerkt om demagnetisatie te weerstaan. Afbeelding van de site: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

De aard van ferromagnetisme kan worden begrepen op basis van kwantumconcepten. Ferromagnetisme wordt verklaard door de aanwezigheid van intrinsieke (spin) magnetische velden van elektronen. In kristallen van ferromagnetische materialen ontstaan omstandigheden waaronder, vanwege de sterke interactie van de magnetische spinvelden van naburige elektronen, hun parallelle oriëntatie energetisch gunstig wordt. Als gevolg van een dergelijke interactie ontstaan spontaan gemagnetiseerde gebieden in een ferromagneetkristal. Deze gebieden worden domeinen genoemd. Elk domein is een kleine permanente magneet.

Illustratie van het magnetisatieproces van een ferromagnetisch monster:

a - materie bij afwezigheid van een extern magnetisch veld: de afzonderlijke atomen, die kleine magneten zijn, zijn willekeurig gerangschikt; b - gemagnetiseerde substantie: onder invloed van een extern veld zijn de atomen in een bepaalde volgorde ten opzichte van elkaar georiënteerd in overeenstemming met de richting van het externe veld. Rijst. van de site: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

Domeinen in de theorie van magnetisme zijn kleine gemagnetiseerde gebieden van een materiaal waarin de momenten van het magnetische veld van atomen evenwijdig aan elkaar zijn georiënteerd. De domeinen zijn van elkaar gescheiden door overgangslagen die Bloch-muren worden genoemd. De figuur toont twee domeinen met tegengestelde magnetische oriëntaties en een Bloch-wand ertussen met een tussenliggende oriëntatie. Afbeelding van de site: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

Bij afwezigheid van een extern magnetisch veld zijn de richtingen van de magnetische veldinductievectoren in verschillende domeinen willekeurig georiënteerd in een groot kristal. Zo'n kristal blijkt niet gemagnetiseerd te zijn. Wanneer een extern magnetisch veld wordt aangelegd, worden de domeingrenzen verplaatst zodat het volume van domeinen die langs het externe veld zijn georiënteerd, toeneemt. Met een toename van de inductie van het externe veld neemt de magnetische inductie van de gemagnetiseerde substantie toe. In een zeer sterke magnetische extern veld domeinen waarin hun eigen magnetische veld in de richting samenvalt met het externe veld absorberen alle andere domeinen en er treedt magnetische verzadiging op.

Houd er echter rekening mee dat al deze tekeningen en de daarop afgebeelde domeinen en atomen slechts diagrammen of modellen zijn. echte verschijnselen magnetisme, maar niet de verschijnselen zelf. Ze worden gebruikt zolang ze de waargenomen feiten niet tegenspreken.

Een eenvoudige elektromagneet die is ontworpen om ladingen op te vangen. De energiebron is accu accu Gelijkstroom. Ook worden de krachtlijnen van het elektromagnetische veld weergegeven, die kunnen worden gedetecteerd met de gebruikelijke methode van ijzervijlsel. Figuur van de site: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.htmll

Het optreden van een magnetisch veld in de buurt van een geleider waar een elektrische gelijkstroom doorheen gaat, wordt geïllustreerd door een elektromagneet. Stroom vloeit door een draad die om een ferromagnetische staaf is gewonden. De magnetiserende kracht is in dit geval gelijk aan het product van de grootte van de elektrische stroom in de spoel door het aantal windingen erin. Deze kracht wordt gemeten in ampère. Magnetische veldsterkte H gelijk aan de magnetiserende kracht per lengte-eenheid van de spoel. De waarde dus H gemeten in ampère per meter; het bepaalt de magnetisatie die wordt verkregen door het materiaal in de spoel. In een vacuüm magnetische inductie B evenredig met de magnetische veldsterkte H.

De magnetische veldinductie is een vectorgrootheid, wat de krachtkarakteristiek is van het magnetische veld. De richting van de magnetische inductie valt samen met de richting die wordt aangegeven door de magnetische naald in het magnetische veld, en de modulus van deze vector is gelijk aan de verhouding de modulus van de magnetische kracht, die inwerkt op een bewegend loodrecht geladen deeltje, naar de modulus van de snelheid en lading van dit deeltje. Magnetische inductie volgens SI wordt gemeten in teslas (T). In het CGS-systeem wordt magnetische inductie gemeten in gauss (gauss). In dit geval is 1 T = 104 Gs.

Grote elektromagneten met ijzeren kernen en zeer een groot aantal spoelen die in continue modus werken, hebben een grote magnetiserende kracht. Ze creëren een magnetische inductie in de opening tussen de polen tot 6 tesla (T). De grootte van de inductie wordt beperkt door mechanische spanningen, verwarming van de spoelen en magnetische verzadiging van de kern.

Door P.L. Kapitsa in Cambridge en aan het Institute of Physical Problems van de USSR Academy of Sciences, evenals F. Bitter aan het Massachusetts Institute of Technology. Op dergelijke magneten was het mogelijk om inductie tot 50 T te bereiken. Een relatief kleine elektromagneet, die velden tot 6,2 T produceert, een elektrisch vermogen van 15 kW verbruikt en wordt gekoeld door vloeibare waterstof, werd ontwikkeld in het Losalamos National Laboratory. Soortgelijke magnetische velden worden verkregen bij zeer lage temperaturen.

De magnetische inductievector wordt als een van beschouwd fysieke hoeveelheden, wat fundamenteel is in de theorie van elektromagnetisme, kan het worden gevonden in een grote verscheidenheid aan vergelijkingen, in sommige gevallen direct, en soms door de magnetische veldsterkte die ermee samenhangt. Het enige gebied in de klassieke theorie van elektromagnetisme, waarin er geen vector van magnetische inductie is, is misschien alleen pure elektrostatica.

Ampère suggereerde in 1825 dat elektrische microstromen circuleren in elk atoom van een magneet. Maar het elektron werd pas in 1897 ontdekt, en het model van de interne structuur van het atoom - in 1913, bijna 100 jaar na de briljante gok van Ampère. In 1852 suggereerde W. Weber dat elk atoom van een magnetische substantie een kleine magnetische dipool is. De ultieme of volledige magnetisatie van een stof wordt bereikt wanneer alle individuele atomaire magneten in een bepaalde volgorde zijn opgesteld. Weber geloofde dat moleculaire of atomaire "wrijving" deze elementaire magneten hielp hun orde te behouden. Zijn theorie verklaarde de magnetisatie van lichamen wanneer ze in contact komen met een magneet en hun demagnetisatie wanneer ze worden geraakt of verhit. De "reproductie" van magneten werd ook verklaard wanneer een gemagnetiseerd stuk of een magnetische staaf in stukken werd gesneden, wanneer elk stuk altijd twee polen had. Deze theorie verklaarde echter noch de oorsprong van de elementaire magneten zelf, noch het fenomeen van hysteresis. In 1890 werd de theorie van Weber verbeterd door J. Ewing, die de hypothese van atomaire wrijving verving door het idee van interatomaire beperkende krachten die helpen de ordening van de elementaire dipolen die een permanente magneet vormen, te behouden.

In 1905 verklaarde P. Langevin het gedrag van paramagnetische materialen door aan elk atoom een interne ongecompenseerde elektronenstroom toe te schrijven. Volgens Langevin zijn het deze stromen die kleine magneten vormen, willekeurig georiënteerd wanneer een extern magnetisch veld afwezig is, maar een geordende oriëntatie krijgen na de toepassing ervan. In dit geval komt de benadering tot volledige ordening overeen met de verzadiging van de magnetisatie. Langevin introduceerde het concept van het magnetische moment van een atomaire magneet, gelijk aan het product van de "magnetische lading" door de afstand tussen de polen. Volgens deze theorie wordt het zwakke magnetisme van paramagnetische materialen verklaard door het zwakke netto magnetische moment dat wordt gecreëerd door niet-gecompenseerde elektronenstromen.

In 1907 introduceerde P. Weiss het concept "domein", dat een belangrijke bijdrage werd aan moderne theorie magnetisme. Een enkel domein kan hebben lineaire afmetingen ongeveer 0,01 mm. De domeinen worden van elkaar gescheiden door de zogenaamde Bloch-muren, waarvan de dikte niet groter is dan 1000 atomaire dimensies. Dergelijke wanden zijn "overgangslagen", of microgradiënten in de magnetische nanostructuur van een stof, waarin de richting van de domeinmagnetisatie verandert. Er zijn twee overtuigende experimentele bevestigingen van het bestaan van domeinen. In 1919 stelde G. Barkhausen vast dat wanneer een extern veld wordt aangelegd op een monster van een ferromagnetisch materiaal, de magnetisatie ervan verandert in kleine afzonderlijke delen. Om de domeinstructuur van een magneet te onthullen door de methode van poederfiguren, wordt een druppel van een colloïdale suspensie van een ferromagnetisch poeder (ijzeroxide) aangebracht op een goed gepolijst oppervlak van een gemagnetiseerd materiaal. Poederdeeltjes bezinken voornamelijk op plaatsen met maximale inhomogeniteit van het magnetische veld - aan de grenzen van domeinen. Zo'n structuur kan onder een microscoop worden bestudeerd. Er is een methode ontwikkeld om het magnetische veld te bestuderen, gebaseerd op de passage van gepolariseerd licht door een transparant ferromagnetisch materiaal.

Een vrij ijzeratoom heeft twee van zijn schillen ( K en L), het dichtst bij de kern, zijn gevuld met elektronen, met twee op de eerste en acht op de tweede. BIJ K-schil, de spin van een van de elektronen is positief en de andere is negatief. BIJ L-shell (meer precies, in zijn twee subshells), hebben vier van de acht elektronen positieve spins en de andere vier hebben negatieve spins. In beide gevallen heffen de spins van de elektronen binnen dezelfde schil zich volledig op, zodat het totale magnetische moment van het atoom nul is. BIJ M-schil, de situatie is anders, vanwege de zes elektronen in de derde subschil hebben vijf elektronen spins, richting

Een magnetisch veld- een speciale vorm van materie die bestaat rond bewegende elektrische ladingen - stromingen.

De bronnen van het magnetische veld zijn permanente magneten, geleiders met stroom. Je kunt een magnetisch veld detecteren door de actie op een magnetische naald, een stroomvoerende geleider en bewegende geladen deeltjes.

Om het magnetische veld te bestuderen, wordt een gesloten vlak stroomvoerend circuit (stroomvoerende lus) gebruikt.

Voor het eerst werd in 1820 door Oersted de draaiing van een magnetische naald ontdekt in de buurt van een geleider waardoor stroom vloeit. Ampere observeerde de interactie van geleiders waardoor stroom vloeide: als de stromen in de geleiders in één richting stromen, dan trekken de geleiders aan, als de stromen in de geleiders in tegengestelde richting stromen, dan stoten ze af.

Magnetische veldeigenschappen:

magnetisch veld is materieel;
bron- en veldindicator - elektrische stroom;
het magnetische veld is vortex - de krachtlijnen (lijnen van magnetische inductie) zijn gesloten;
de grootte van het veld neemt af met de afstand tot de bron van het veld.

Belangrijk!
Het magnetische veld is niet potentiaal. Zijn werk op een gesloten traject is mogelijk niet gelijk aan nul.

magnetische interactie noem het aantrekken of afstoten van elektrisch neutrale geleiders wanneer er een elektrische stroom doorheen gaat.

De magnetische interactie van bewegende elektrische ladingen wordt als volgt uitgelegd: elke bewegende elektrische lading creëert een magnetisch veld in de ruimte, dat inwerkt op bewegende geladen deeltjes.

Krachtkarakteristiek van het magnetische veld - magnetische inductievector\(\vec(B) \) . De modulus van de magnetische inductievector is gelijk aan de verhouding maximale waarde kracht die werkt vanuit het magnetische veld op een stroomvoerende geleider naar de stroomsterkte in de geleider \(I \) en zijn lengte \(l \) :

De aanduiding is \(\vec(B) \) , de maateenheid in SI is tesla (T).

1 T is de inductie van zo'n magnetisch veld, waarbij voor elke meter van de lengte van de geleider bij een stroom van 1 A, maximale kracht 1 N.

Richting van de magnetische inductievector samenvalt met de richting van de zuidpool naar de noordpool van een magnetische naald (de richting die de noordpool van een magnetische naald aangeeft), vrij gevestigd in een magnetisch veld.

Hieruit kan de richting van de magnetische inductievector worden bepaald gimlet-regel:

als de richting van de translatiebeweging van de ring samenvalt met de richting van de stroom in de geleider, dan valt de draairichting van de handgreep van de ring samen met de richting van de magnetische inductievector.

Om de magnetische inductie van verschillende velden te bepalen wordt gebruikt superpositie principe:

de magnetische inductie van het resulterende veld dat door verschillende bronnen wordt gecreëerd, is gelijk aan de vectorsom van de magnetische inducties van de velden die door elke bron afzonderlijk worden gecreëerd:

Het veld, op elk punt waarvan de magnetische inductievector dezelfde grootte en richting heeft, wordt genoemd homogeen.

Visueel wordt het magnetische veld weergegeven in de vorm van magnetische lijnen of lijnen van magnetische inductie. Lijn van magnetische inductie- dit is een denkbeeldige lijn, op elk punt waarvan de magnetische inductievector er tangentieel aan is gericht.

Eigenschappen van magnetische lijnen:

de magnetische lijnen zijn continu;
magnetische lijnen zijn gesloten (d.w.z. in de natuur zijn er geen magnetische ladingen analoog aan elektrische ladingen);
magnetische lijnen hebben een richting gerelateerd aan de richting van de stroom.

De dichtheid van de opstelling maakt het mogelijk om de grootte van het veld te beoordelen: hoe dichter de lijnen zijn, hoe sterker het veld.

Op een vlak gesloten circuit met stroom, geplaatst in een uniform magnetisch veld, werkt het krachtenmoment \ (M \) :

waarbij \(I \) de stroomsterkte in de geleider is, \(S \) het oppervlak is dat wordt bedekt door de contour, \(B \) de modulus is van de magnetische inductievector, \ (\alpha \) - de hoek tussen de loodlijn op het contourvlak en de magnetische inductievector.

Dan kunnen we voor de modulus van de magnetische inductievector de formule schrijven:

waarbij het maximale krachtenmoment overeenkomt met de hoek \(\alpha \) = 90°.

In dit geval liggen de lijnen van magnetische inductie in het vlak van het frame en is de evenwichtspositie onstabiel. De positie van de lus met stroom zal stabiel zijn in het geval dat het vlak van de lus loodrecht staat op de lijnen van magnetische inductie.

permanente magneten zijn de lichamen lange tijd behoud van magnetisatie, dat wil zeggen het creëren van een magnetisch veld.

De belangrijkste eigenschap van magneten is het aantrekken van lichamen gemaakt van ijzer of zijn legeringen (bijvoorbeeld staal). Magneten zijn natuurlijk (van magnetisch ijzererts) en kunstmatig, dit zijn gemagnetiseerde ijzeren strips. De gebieden van een magneet waar de magnetische eigenschappen het meest uitgesproken zijn, worden polen genoemd. Een magneet heeft twee polen: Noord \(N \) en Zuid \(S \) .

Belangrijk!
Buiten de magneet verlaten magnetische lijnen de noordpool en gaan de zuidpool binnen.

Je kunt de polen van een magneet niet scheiden.

Ampere verklaarde het bestaan van een magnetisch veld in permanente magneten. Volgens zijn hypothese circuleren in de moleculen waaruit de magneet bestaat elementaire elektrische stromen. Als deze stromen op een bepaalde manier zijn gericht, tellen hun acties op en vertoont het lichaam magnetische eigenschappen. Als deze stromen willekeurig zijn gerangschikt, wordt hun werking wederzijds gecompenseerd en vertoont het lichaam geen magnetische eigenschappen.

Magneten werken samen: zoals magnetische polen elkaar afstoten, trekken tegengestelde magnetische polen elkaar aan.

Het magnetische veld van een stroomvoerende geleider

Een elektrische stroom die door een stroomvoerende geleider stroomt, creëert een magnetisch veld in de omringende ruimte. Hoe groter de stroom die door de geleider gaat, hoe sterker het magnetische veld dat eromheen ontstaat.

De magnetische krachtlijnen van dit veld zijn gerangschikt langs concentrische cirkels, in het midden waarvan zich een stroomvoerende geleider bevindt.

De richting van de magnetische veldlijnen rond een geleider met stroom is altijd in strikte overeenstemming met de richting van de stroom die door de geleider gaat.

De richting van de magnetische veldlijnen kan worden bepaald volgens de regel van de gimlet: als de translatiebeweging van de slagboor (1) samenvalt met de richting van de stroom (2) in de geleider, dan zal de rotatie van het handvat de richting van de krachtlijnen (4) van het magnetische veld rond de geleider aangeven .

Wanneer de richting van de stroom verandert, veranderen de magnetische veldlijnen ook van richting.

Naarmate u zich van de geleider verwijdert, komen de magnetische krachtlijnen minder vaak voor. Bijgevolg neemt de magnetische veldinductie af.

De richting van de stroom in de geleider wordt meestal weergegeven door een punt als de stroom naar ons toe gaat, en door een kruis als de stroom van ons af is gericht.

Om sterke magnetische velden bij lage stromen te verkrijgen, wordt het aantal stroomvoerende geleiders meestal vergroot en uitgevoerd in de vorm van een reeks windingen; zo'n apparaat wordt een spoel genoemd.

In een geleider die is gebogen in de vorm van een spoel, zullen de magnetische velden die door alle secties van deze geleider worden gevormd binnen de spoel dezelfde richting hebben. Daarom zal de intensiteit van het magnetische veld in de spoel groter zijn dan rond de rechtlijnige geleider. Wanneer de windingen worden gecombineerd tot een spoel, worden de magnetische velden die door de afzonderlijke windingen worden gecreëerd, opgeteld. In dit geval neemt de concentratie van veldlijnen in de spoel toe, d.w.z. het magnetische veld erin neemt toe.

Hoe meer stroom er door de spoel gaat en hoe meer windingen hij heeft, hoe sterker het magnetische veld dat door de spoel wordt gecreëerd. Het magnetische veld buiten de spoel bestaat ook uit de magnetische velden van individuele windingen, echter zijn de magnetische krachtlijnen niet zo dicht, waardoor de intensiteit van het magnetische veld daar niet zo groot is als binnen de spoel.

Het magnetische veld van een spoel met stroom heeft dezelfde vorm als het veld van een rechtlijnige permanente magneet: magnetische krachtlijnen verlaten het ene uiteinde van de spoel en gaan het andere uiteinde binnen. Daarom is een spoel met stroom een kunstmatige elektrische magneet. Gewoonlijk wordt een stalen kern in de spoel gestoken om het magnetische veld te versterken; deze spoel wordt genoemd elektromagneet.

De richting van de lijnen van magnetische inductie van de spoel met stroom wordt gevonden door regel rechter hand :

als je mentaal de spoel met de stroom vastpakt met de palm van je rechterhand zodat vier vingers de richting van de stroom in zijn bochten aangeven, dan duim geeft de richting van de magnetische inductievector aan.

Om de richting van de lijnen van het magnetische veld te bepalen dat door een spoel of spoel wordt gecreëerd, kunt u ook gebruiken gimlet-regel:

als u de hendel van de slagboor in de richting van de stroom in de spoel of spoel draait, geeft de translatiebeweging van de slagboor de richting van de magnetische inductievector aan.

Elektromagneten hebben een extreem brede toepassing in de technologie gevonden. De polariteit van een elektromagneet (de richting van het magnetische veld) kan ook worden bepaald met behulp van de rechterhandregel.

Amper vermogen

Amper vermogen- de kracht die werkt op een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld.

Wet van Ampere: een geleider met een stroom \(I \) van lengte \(l \) geplaatst in een magnetisch veld met inductie \(\vec(B) \) wordt onderworpen aan een kracht waarvan de modulus gelijk is aan:

waarbij \(\alpha\) de hoek is tussen de stroomvoerende geleider en de magnetische inductievector \(\vec(B) \) .

De richting van de ampèrekracht wordt bepaald linker handregel: als de palm van de linkerhand zo is geplaatst dat de component van de magnetische inductievector \ \ (B_ \ perp \) loodrecht op de geleider de palm binnengaat, en vier uitgestrekte vingers geven de richting van de stroom in de geleider aan, dan de 90° gebogen duim geeft de richting van de ampèrekracht aan.

De Ampere-kracht staat niet centraal. Het is loodrecht op de lijnen van magnetische inductie gericht.

Ampère-vermogen wordt veel gebruikt. BIJ technische apparaten creëer met behulp van geleiders een magnetisch veld waar een elektrische stroom doorheen gaat. Elektromagneten worden gebruikt in een elektromechanisch relais voor het op afstand uitschakelen van elektrische circuits, magnetisch kraan, een harde schijf van een computer, een videorecorder, een tv-kinescoop, een computermonitor. In het dagelijks leven, in het transport en in de industrie worden elektromotoren veel gebruikt. De interactie van een elektromagneet met het veld van een permanente magneet maakte het mogelijk om elektrische meetinstrumenten (ampèremeter, voltmeter) te creëren.

Het eenvoudigste model van een elektromotor is een frame met een stroom geplaatst in het magnetische veld van een permanente magneet. In echte elektromotoren worden in plaats van permanente magneten elektromagneten gebruikt, in plaats van een frame worden wikkelingen met een groot aantal draadwikkelingen gebruikt.

Efficiëntie elektrische motor:

waarbij \ (N \) het mechanische vermogen is dat door de motor wordt ontwikkeld.

Het rendement van de elektromotor is zeer hoog.

Algoritme voor het oplossen van problemen met de werking van een magnetisch veld op stroomvoerende geleiders:

maak een schematische tekening waarop u de geleider of het circuit met stroom en de richting van de veldkrachtlijnen kunt aangeven;
markeer de hoeken tussen de richting van het veld en de individuele elementen van de contour;
bepaal met behulp van de linkerhandregel de richting van de Ampere-kracht die werkt op een stroomvoerende geleider of op elk element van het circuit, en toon deze krachten op de tekening;
geef alle andere krachten aan die op de geleider of het circuit werken;
schrijf formules voor de rest van de krachten die in het probleem worden genoemd. Druk de krachten uit in termen van de grootheden waarvan ze afhankelijk zijn. Als de geleider in evenwicht is, is het noodzakelijk om de toestand van zijn evenwicht op te schrijven (gelijk aan nul van de som van krachten en momenten van krachten);
schrijf de tweede wet van Newton in vectorvorm en in projecties;
oplossing om te controleren.

Lorentz-kracht

Lorentz-kracht is de kracht die werkt op een bewegend geladen deeltje vanaf de kant van het magnetische veld.

Formule voor het vinden van de Lorentzkracht:

waar \(q \) de deeltjeslading is, \(v \) de deeltjessnelheid, \(B \) de modulus van de magnetische inductievector, \(\alpha \) is de hoek tussen de deeltjessnelheidsvector en de magnetische inductievector.

De richting van de Lorentzkracht wordt bepaald door linker handregel: als de palm van de linkerhand zo is geplaatst dat de component van de magnetische inductievector \(B_\perp \) loodrecht op de geleider de palm binnengaat, en vier uitgestrekte vingers de richting van de snelheid van een positief geladen deeltje, dan zal de duim gebogen 90 ° de richting van de kracht Lorenz tonen.

Als de lading van het deeltje negatief is, is de richting van de kracht omgekeerd.

Belangrijk!
Als de snelheidsvector samen met de magnetische inductievector wordt gericht, beweegt het deeltje gelijkmatig en rechtlijnig.

In een uniform magnetisch veld buigt de Lorentzkracht de baan van het deeltje.

Als de snelheidsvector loodrecht staat op de magnetische inductievector, beweegt het deeltje langs een cirkel waarvan de straal gelijk is aan:

waar \(m \) de massa van het deeltje is, \(v \) de snelheid van het deeltje is, \(B \) de modulus is van de magnetische inductievector, \(q \ ) is de lading van het deeltje.

In dit geval speelt de Lorentzkracht de rol van middelpuntzoekende kracht en is zijn werk nul. De periode (frequentie) van de deeltjesomwenteling is niet afhankelijk van de straal van de cirkel en de snelheid van het deeltje. Formule voor het berekenen van de omwentelingstijd van een deeltje:

Hoeksnelheid van een geladen deeltje:

Belangrijk!
De Lorentzkracht verandert de kinetische energie van het deeltje en de snelheidsmodulus niet. Onder invloed van de Lorentzkracht verandert de richting van de snelheid van het deeltje.

Als de snelheidsvector onder een hoek \(\alpha \) (0°< \(\alpha \) < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.

In dit geval kan de snelheidsvector van het deeltje worden weergegeven als de som van twee snelheidsvectoren, waarvan er één, \(\vec(v)_2 \) , evenwijdig is aan de vector \(\vec(B) \) , en de andere, \(\vec (v)_1 \) , staat er loodrecht op. De vector \(\vec(v)_1 \) verandert niet van richting of modulo. De vector \(\vec(v)_2 \) verandert van richting. De Lorentzkracht geeft het bewegende deeltje een versnelling loodrecht op de snelheidsvector \(\vec(v)_1 \) . Het deeltje zal in een cirkel bewegen. De omwentelingstijd van een deeltje in een cirkel is \ (T \) .

Een uniforme beweging langs de inductielijn wordt dus gesuperponeerd door een cirkelvormige beweging in een vlak loodrecht op de vector \(\vec(B) \) . Het deeltje beweegt langs een helix met een stap \(h=v_2T \) .

Belangrijk!
Als het deeltje beweegt in elektrische en magnetische velden, dan is de totale Lorentzkracht:

Kenmerken van de beweging van een geladen deeltje in een magnetisch veld worden gebruikt in massaspectrometers - apparaten voor het meten van de massa's van geladen deeltjes; deeltjesversnellers; voor thermische isolatie van plasma in "Tokamak" installaties.

Algoritme voor het oplossen van problemen over de werking van een magnetisch (en elektrisch) veld op geladen deeltjes:

maak een tekening, geef daarop de krachtlijnen van het magnetische (en elektrische) veld aan, teken een vector aanvankelijke snelheid deeltjes en markeer het teken van zijn lading;
verbeelden de krachten die op een geladen deeltje werken;
het type deeltjestraject bepalen;
breid de krachten uit die op een geladen deeltje werken in de richting van het magnetische veld en in de richting loodrecht daarop;
schrijf de basisvergelijking van dynamica materieel punt voor elk van de richtingen van de uitbreiding van krachten;
druk krachten uit in termen van de grootheden waarvan ze afhankelijk zijn;
los het resulterende stelsel vergelijkingen op voor een onbekende grootheid;
oplossing om te controleren.

Basisformules van de sectie "Magnetisch veld"

Een magnetisch veld- dit is een materieel medium waardoor de interactie tussen geleiders met huidige of bewegende ladingen wordt uitgevoerd.

Eigenschappen van magnetische velden:

Magnetische veldkarakteristieken:

Om het magnetische veld te bestuderen wordt een testcircuit met stroom gebruikt. Het is klein en de stroom erin is veel minder dan de stroom in de geleider die het magnetische veld creëert. Aan weerszijden van het circuit met stroom van de kant van het magnetische veld werken krachten die even groot zijn, maar in tegengestelde richtingen zijn gericht, aangezien de richting van de kracht afhangt van de richting van de stroom. De aangrijpingspunten van deze krachten liggen niet op één rechte lijn. Dergelijke krachten worden genoemd een paar krachten. Als gevolg van de werking van een paar krachten kan de contour niet naar voren bewegen, hij draait om zijn as. De roterende actie wordt gekenmerkt koppel.

, waar ik–arm van een paar krachten(afstand tussen aangrijpingspunten van krachten).

Met een toename van de stroom in een testcircuit of circuitgebied, zal het moment van een paar krachten proportioneel toenemen. De verhouding van het maximale moment van krachten die op het stroomvoerende circuit werken tot de grootte van de stroom in het circuit en het gebied van het circuit is een constante waarde voor een bepaald punt van het veld. Het heet magnetische inductie.

, waar
-magnetisch moment circuits met stroom.

meet eenheid magnetische inductie - Tesla [T].

Magnetisch moment van het circuit- vectorhoeveelheid, waarvan de richting afhangt van de richting van de stroom in het circuit en wordt bepaald door rechtse schroef regel: bal je rechterhand tot een vuist, wijs vier vingers in de richting van de stroom in het circuit, dan geeft de duim de richting van de magnetische momentvector aan. De magnetische momentvector staat altijd loodrecht op het contourvlak.

Per richting van magnetische inductievector neem de richting van de vector van het magnetische moment van het circuit georiënteerd in het magnetische veld.

Lijn van magnetische inductie- een lijn waarvan de raaklijn op elk punt samenvalt met de richting van de magnetische inductievector. De lijnen van magnetische inductie zijn altijd gesloten, snijden elkaar nooit. Lijnen van magnetische inductie van een rechte geleider met stroom hebben de vorm van cirkels in een vlak loodrecht op de geleider. De richting van de lijnen van magnetische inductie wordt bepaald door de regel van de rechterschroef. Lijnen van magnetische inductie van circulaire stroom(spoel met stroom) hebben ook de vorm van cirkels. Elk spoelelement is lang
kan worden gezien als een rechte geleider die zijn eigen magnetische veld creëert. Voor magnetische velden is voldaan aan het principe van superpositie (onafhankelijke optelling). De totale vector van de magnetische inductie van de kringstroom wordt bepaald als resultaat van de optelling van deze velden in het midden van de spoel volgens de regel van de rechterschroef.

Als de grootte en richting van de magnetische inductievector op elk punt in de ruimte hetzelfde zijn, wordt het magnetische veld genoemd homogeen. Als de grootte en richting van de magnetische inductievector op elk punt in de loop van de tijd niet veranderen, wordt zo'n veld genoemd permanent.

Waarde magnetische inductie op elk punt van het veld is recht evenredig met de stroomsterkte in de geleider die het veld creëert, is omgekeerd evenredig met de afstand van de geleider tot een bepaald punt in het veld, hangt af van de eigenschappen van het medium en de vorm van de dirigent die het veld creëert.

, waar
AAN 2 ; U/m is de magnetische vacuümconstante,

-relatieve magnetische permeabiliteit van het medium,

-absolute magnetische permeabiliteit van het medium.

Afhankelijk van de grootte van de magnetische permeabiliteit worden alle stoffen in drie klassen verdeeld:

Met een toename van de absolute permeabiliteit van het medium neemt ook de magnetische inductie op een bepaald punt van het veld toe. De verhouding van magnetische inductie tot de absolute magnetische permeabiliteit van het medium is een constante waarde voor een bepaald punt van de poly, e wordt genoemd spanning.

De vectoren van spanning en magnetische inductie vallen samen in richting. De sterkte van het magnetische veld is niet afhankelijk van de eigenschappen van het medium.

Amper vermogen- de kracht waarmee het magnetische veld op een geleider met stroom inwerkt.

Waar ik- de lengte van de geleider, - de hoek tussen de vector van magnetische inductie en de richting van de stroom.

De richting van de Ampere-kracht wordt bepaald door linker handregel: de linkerhand is zo geplaatst dat de component van de magnetische inductievector, loodrecht op de geleider, de handpalm binnengaat, richt vier uitgestrekte vingers langs de stroom, dan geeft de duim gebogen met 90 0 de richting van de Ampere-kracht aan.

Het resultaat van de actie van de Ampere-kracht is de beweging van de geleider in een bepaalde richting.

E als = 90 0 , dan F=max, als = 0 0 , dan F= 0.

Lorentz-kracht- de kracht van het magnetische veld op de bewegende lading.

, waarbij q de lading is, v de snelheid van zijn beweging, - de hoek tussen de vectoren van spanning en snelheid.

De Lorentzkracht staat altijd loodrecht op de magnetische inductie- en snelheidsvectoren. De richting wordt bepaald door linker handregel(vingers - op de beweging van een positieve lading). Als de richting van de deeltjessnelheid loodrecht staat op de lijnen van magnetische inductie van een uniform magnetisch veld, dan beweegt het deeltje in een cirkel zonder de kinetische energie te veranderen.

Omdat de richting van de Lorentzkracht afhangt van het teken van de lading, wordt deze gebruikt om ladingen te scheiden.

magnetische flux- een waarde gelijk aan het aantal magnetische inductielijnen dat door een gebied gaat dat loodrecht op de magnetische inductielijnen staat.

, waar - de hoek tussen de magnetische inductie en de normaal (loodrecht) op het gebied S.

meet eenheid– Weber [Wb].

Methoden voor het meten van magnetische flux:

Veranderen van de oriëntatie van de site in een magnetisch veld (veranderen van de hoek)

Verandering in het gebied van een contour geplaatst in een magnetisch veld

Veranderen van de sterkte van de stroom die het magnetische veld creëert

De afstand van de contour tot de bron van het magnetische veld wijzigen

Verandering in de magnetische eigenschappen van het medium.

F Araday registreerde elektrische stroom in een circuit dat geen bron bevatte, maar zich naast een ander circuit met een bron bevond. Bovendien ontstond de stroom in de primaire kring in de volgende gevallen: bij elke verandering van de stroom in kring A, bij relatieve beweging van de kringen, bij het inbrengen van een ijzeren staaf in kring A, bij beweging van een permanente magneet ten opzichte van circuit B. De gerichte beweging van vrije ladingen (stroom) vindt alleen plaats in een elektrisch veld. Dus het veranderende magnetische veld genereert elektrisch veld, die de gratis kosten van de dirigent aandrijft. Dit elektrische veld wordt genoemd geïnduceerd of draaikolk.

Verschillen tussen een vortex elektrisch veld en een elektrostatisch veld:

De bron van het vortexveld is een veranderend magnetisch veld.

De lijnen van de wervelveldsterkte zijn gesloten.

Het werk dat door dit veld wordt gedaan om de lading langs een gesloten circuit te verplaatsen, is niet gelijk aan nul.

De energiekarakteristiek van het vortexveld is niet het potentieel, maar EMF-inductie- een waarde die gelijk is aan het werk van externe krachten (krachten van niet-elektrostatische oorsprong) bij het verplaatsen van een ladingseenheid langs een gesloten circuit.

.Gemeten in volt[BIJ].

Een vortex elektrisch veld ontstaat bij elke verandering in het magnetische veld, ongeacht of er een geleidende gesloten lus is of niet. De contour maakt het alleen mogelijk om het elektrische wervelveld te detecteren.

Elektromagnetische inductie- dit is het optreden van een EMF van inductie in een gesloten circuit met elke verandering in de magnetische flux door het oppervlak.

EMF van inductie in een gesloten circuit genereert een inductieve stroom.

Richting van inductiestroom bepaald door Regel van Lenz: de inductiestroom heeft een zodanige richting dat het daardoor gecreëerde magnetische veld elke verandering in de magnetische flux die deze stroom heeft gegenereerd, tegenwerkt.

De wet van Faraday voor elektromagnetische inductie: EMF van inductie in een gesloten lus is recht evenredig met de veranderingssnelheid van de magnetische flux door het oppervlak begrensd door de lus.

T oké Foucault- wervelinductiestromen die optreden in grote geleiders geplaatst in een wisselend magnetisch veld. De weerstand van zo'n geleider is klein, aangezien deze een grote doorsnede S heeft, dus de Foucaultstromen kunnen groot zijn, waardoor de geleider opwarmt.

zelf inductie- dit is het optreden van een EMF van inductie in een geleider wanneer de huidige sterkte daarin verandert.

Een stroomvoerende geleider creëert een magnetisch veld. Magnetische inductie is afhankelijk van de sterkte van de stroom, daarom hangt de eigen magnetische flux ook af van de sterkte van de stroom.

, waarbij L de evenredigheidscoëfficiënt is, inductie.

meet eenheid inductantie - Henry [H].

Inductie geleider hangt af van de grootte, vorm en magnetische permeabiliteit van het medium.

Inductie neemt toe met de lengte van de geleider, de inductantie van de spoel is groter dan de inductantie van een rechte geleider van dezelfde lengte, de inductantie van de spoel (een geleider met een groot aantal windingen) is groter dan de inductantie van één winding , neemt de inductantie van de spoel toe als er een ijzeren staaf in wordt gestoken.

De wet van Faraday voor zelfinductie:
.

EMF zelfinductie recht evenredig met de veranderingssnelheid van de stroom.

EMF zelfinductie genereert een zelfinductiestroom, die altijd elke verandering in de stroom in het circuit voorkomt, dat wil zeggen, als de stroom toeneemt, wordt de zelfinductiestroom in de tegenovergestelde richting gericht, wanneer de stroom in het circuit afneemt, de zelfinductiestroom inductiestroom wordt in dezelfde richting geleid. Hoe groter de inductantie van de spoel, hoe meer zelfinductie EMF erin voorkomt.

Magnetische veldenergie is gelijk aan het werk dat de stroom doet om de zelfinductie EMF te overwinnen gedurende de tijd totdat de stroom toeneemt van nul tot een maximale waarde.

Elektromagnetische trillingen- dit zijn periodieke veranderingen in lading, stroomsterkte en alle kenmerken van elektrische en magnetische velden.

Elektrisch oscillerend systeem(oscillerende schakeling) bestaat uit een condensator en een inductor.

Voorwaarden voor het optreden van trillingen:

Het systeem moet uit evenwicht worden gebracht, hiervoor wordt een lading aan de condensator meegegeven. De energie van het elektrische veld van een geladen condensator:

Het systeem moet terugkeren naar een toestand van evenwicht. Onder invloed van een elektrisch veld gaat de lading van de ene plaat van de condensator naar de andere, dat wil zeggen dat er een elektrische stroom ontstaat in het circuit, dat door de spoel stroomt. Met een toename van de stroom in de inductor ontstaat een EMF van zelfinductie, de zelfinductiestroom wordt in de tegenovergestelde richting geleid. Wanneer de stroom in de spoel afneemt, wordt de zelfinductiestroom in dezelfde richting geleid. De zelfinductiestroom heeft dus de neiging het systeem terug te brengen naar een evenwichtstoestand.

De elektrische weerstand van het circuit moet klein zijn.

Ideaal oscillatiecircuit heeft geen weerstand. De trillingen daarin worden genoemd vrij.

Voor elk elektrisch circuit is voldaan aan de wet van Ohm, volgens welke de EMF die in het circuit werkt gelijk is aan de som van de spanningen in alle secties van het circuit. Er is geen stroombron in het oscillerende circuit, maar zelfinductie EMF ontstaat in de inductor, die gelijk is aan de spanning over de condensator.

Conclusie: de lading van de condensator verandert volgens de harmonische wet.

Condensator spanning:
.

Lus stroom:
.

Waarde
- de amplitude van de huidige sterkte.

Het verschil vanaf de lading
.

De periode van vrije oscillaties in het circuit:

Condensator elektrisch veld energie:

Spoel magnetische veldenergie:

De energieën van de elektrische en magnetische velden veranderen volgens een harmonische wet, maar de fasen van hun oscillaties zijn verschillend: wanneer de energie van het elektrische veld maximaal is, is de energie van het magnetische veld nul.

Totale energie van het oscillerende systeem:
.

BIJ ideale contour de totale energie verandert niet.

Tijdens het oscillatieproces wordt de energie van het elektrische veld volledig omgezet in de energie van het magnetische veld en vice versa. Dit betekent dat de energie op elk moment gelijk is aan de maximale energie van het elektrische veld of de maximale energie van het magnetische veld.

Echt oscillerend circuit bevat weerstand. De trillingen daarin worden genoemd vervagen.

De wet van Ohm heeft de vorm:

Op voorwaarde dat de demping klein is (het kwadraat van de natuurlijke trillingsfrequentie is veel groter dan het kwadraat van de dempingscoëfficiënt), de logaritmische dempingsafname:

Bij sterke demping (het kwadraat van de natuurlijke trillingsfrequentie is kleiner dan het kwadraat van de trillingscoëfficiënt):

Deze vergelijking beschrijft het proces van het ontladen van een condensator over een weerstand. Bij afwezigheid van inductantie zullen er geen oscillaties optreden. Volgens deze wet verandert ook de spanning over de condensatorplaten.

totale energie in een echt circuit neemt het af, omdat er bij het passeren van stroom warmte vrijkomt op de weerstand R.

overgangsproces- een proces dat plaatsvindt in elektrische circuits tijdens de overgang van de ene werkingsmodus naar de andere. Geschatte tijd ( ), gedurende welke de parameter die het transiënte proces kenmerkt, zal veranderen in e tijden.

Voor circuit met condensator en weerstand:
.

Maxwell's theorie van het elektromagnetische veld:

1 positie:

Elk wisselend elektrisch veld genereert een vortex magnetisch veld. Een wisselend elektrisch veld werd door Maxwell een verplaatsingsstroom genoemd, omdat het, net als een gewone stroom, een magnetisch veld induceert.

Om de verplaatsingsstroom te detecteren, wordt rekening gehouden met de doorgang van stroom door het systeem, dat een condensator met een diëlektricum bevat.

Bias huidige dichtheid:
. De stroomdichtheid is gericht in de richting van de verandering in intensiteit.

De eerste vergelijking van Maxwell:
- het wervelende magnetische veld wordt opgewekt door zowel geleidingsstromen (bewegende elektrische ladingen) als verplaatsingsstromen (wisselend elektrisch veld E).

2 positie:

Elk wisselend magnetisch veld genereert een vortex elektrisch veld - de basiswet van elektromagnetische inductie.

Maxwells tweede vergelijking:
- relateert de veranderingssnelheid van de magnetische flux door elk oppervlak en de circulatie van de vector van de elektrische veldsterkte die in dit geval ontstaat.

Elke geleider met stroom creëert een magnetisch veld in de ruimte. Als de stroom constant is (verandert niet in de tijd), dan is het bijbehorende magnetische veld ook constant. De veranderende stroom creëert een veranderend magnetisch veld. In een stroomvoerende geleider bevindt zich een elektrisch veld. Daarom creëert een veranderend elektrisch veld een veranderend magnetisch veld.

Het magnetische veld is vortex, omdat de lijnen van magnetische inductie altijd gesloten zijn. De grootte van de magnetische veldsterkte H is evenredig met de veranderingssnelheid van de elektrische veldsterkte . Richting van de magnetische veldvector geassocieerd met een verandering in de elektrische veldsterkte volgens de regel van de rechterschroef: bal de rechterhand tot een vuist, wijs de duim in de richting van de verandering in de elektrische veldsterkte, dan geven de gebogen 4 vingers de richting van de lijnen van de magnetische veldsterkte aan.

Elk veranderend magnetisch veld creëert een vortex elektrisch veld, waarvan de sterktelijnen gesloten zijn en zich in een vlak loodrecht op de magnetische veldsterkte bevinden.

De grootte van de intensiteit E van het wervel elektrische veld hangt af van de veranderingssnelheid van het magnetische veld . De richting van de vector E is gerelateerd aan de richting van de verandering in het magnetische veld H volgens de regel van de linkerschroef: bal de linkerhand tot een vuist, richt de duim in de richting van de verandering in het magnetische veld, gebogen vier vingers zullen de richting van de lijnen van het vortex elektrische veld aangeven.

De set van vortex elektrische en magnetische velden die met elkaar zijn verbonden vertegenwoordigen elektromagnetisch veld. Het elektromagnetische veld blijft niet op de plaats van oorsprong, maar plant zich voort in de ruimte in de vorm van een transversale elektromagnetische golf.

elektromagnetische golf- dit is de verdeling in de ruimte van vortex elektrische en magnetische velden die met elkaar verbonden zijn.

De voorwaarde voor het optreden van een elektromagnetische golf- beweging van de lading met versnelling.

Vergelijking van elektromagnetische golven:

- cyclische frequentie van elektromagnetische oscillaties

t is de tijd vanaf het begin van oscillaties

l is de afstand van de golfbron tot een bepaald punt in de ruimte

- golfvoortplantingssnelheid

De tijd die een golf nodig heeft om van een bron naar een bepaald punt te reizen.

De vectoren E en H in een elektromagnetische golf staan loodrecht op elkaar en op de voortplantingssnelheid van de golf.

Bron van elektromagnetische golven- geleiders waardoor zowel snel wisselende stromen (macro-emitters), als geëxciteerde atomen en moleculen (micro-emitters) stromen. Hoe hoger de oscillatiefrequentie, hoe beter de elektromagnetische golven in de ruimte worden uitgezonden.

Eigenschappen van elektromagnetische golven:

Alle elektromagnetische golven dwars

In een homogeen medium, elektromagnetische golven voortplanten met een constante snelheid, die afhangt van de eigenschappen van de omgeving:

- relatieve permittiviteit van het medium

is de vacuüm diëlektrische constante,
F/m, Cl 2 /nm 2

- relatieve magnetische permeabiliteit van het medium

- vacuüm magnetische constante,
AAN 2 ; U/m

Elektromagnetische golven gereflecteerd door obstakels, geabsorbeerd, verstrooid, gebroken, gepolariseerd, afgebogen, verstoord.

Volumetrische energiedichtheid Het elektromagnetische veld bestaat uit de volumetrische energiedichtheden van de elektrische en magnetische velden:

Golfenergiefluxdichtheid - golfintensiteit:

-Umov-Poynting-vector.

Alle elektromagnetische golven zijn gerangschikt in een reeks frequenties of golflengten (
). Deze rij is elektromagnetische golf schaal.

Laagfrequente trillingen. 0 - 10 4 Hz. Verkregen van generatoren. Ze stralen niet goed uit.

Radio golven. 10 4 - 10 13 Hz. Uitgestraald door massieve geleiders, waar snel wisselende stromen doorheen gaan.

Infrarood straling- golven uitgezonden door alle lichamen bij temperaturen boven 0 K, als gevolg van intra-atomaire en intra-moleculaire processen.

zichtbaar licht - golven die op het oog inwerken en een visuele sensatie veroorzaken. 380-760 nm

Ultraviolette straling. 10 - 380 nm. Zichtbaar licht en UV ontstaan wanneer de beweging van elektronen in de buitenste schillen van een atoom verandert.

röntgenstraling. 80 - 10 -5 nm. Treedt op wanneer de beweging van elektronen verandert binnenschalen atoom.

Gammastraling. Komt voor tijdens het verval van atoomkernen.

Net zoals een elektrische lading in rust inwerkt op een andere lading via een elektrisch veld, werkt een elektrische stroom in op een andere stroom door magnetisch veld. De werking van een magnetisch veld op permanente magneten wordt gereduceerd tot de werking op ladingen die in de atomen van een stof bewegen en microscopische cirkelvormige stromen creëren.

Leer van elektromagnetisme gebaseerd op twee aannames:

het magnetische veld werkt op bewegende ladingen en stromen;
rond stromen en bewegende ladingen ontstaat een magnetisch veld.

Interactie van magneten

Permanente magneet(of magnetische naald) is georiënteerd langs de magnetische meridiaan van de aarde. Het uiteinde dat naar het noorden wijst, wordt genoemd Noordpool (N) en het andere uiteinde is Zuidpool(S). Als we twee magneten naar elkaar toe naderen, zien we dat hun gelijke polen elkaar afstoten en tegenovergestelde polen elkaar aantrekken ( rijst. 1 ).

Als we de polen scheiden door de permanente magneet in twee delen te snijden, dan zullen we zien dat elk van hen dat ook zal hebben twee palen, d.w.z. zal een permanente magneet zijn ( rijst. 2 ). Beide polen - noord en zuid - zijn onlosmakelijk met elkaar verbonden, gelijk.

Het magnetische veld dat door de aarde of permanente magneten wordt gecreëerd, wordt, net als het elektrische veld, weergegeven door magnetische krachtlijnen. Een afbeelding van de magnetische veldlijnen van elke magneet kan worden verkregen door er een vel papier overheen te leggen, waarop ijzervijlsel in een uniforme laag wordt gegoten. Door in een magnetisch veld te komen, wordt het zaagsel gemagnetiseerd - elk heeft een noorden en zuid polen. Tegenoverliggende polen hebben de neiging elkaar te naderen, maar dit wordt voorkomen door de wrijving van zaagsel op papier. Als je met je vinger op het papier tikt, neemt de wrijving af en worden de vijlsels naar elkaar toe getrokken, waardoor kettingen ontstaan die de lijnen van een magnetisch veld voorstellen.

Op rijst. 3 toont de locatie in het veld van een directe magneet van zaagsel en kleine magnetische pijlen die de richting van de magnetische veldlijnen aangeven. Voor deze richting wordt de richting van de noordpool van de magnetische naald genomen.

Oersteds ervaring. Magnetische veldstroom

Aan het begin van de 19e eeuw. Deense wetenschapper Oersted een belangrijke ontdekking gedaan door te ontdekken actie van elektrische stroom op permanente magneten . Hij plaatste een lange draad in de buurt van de magnetische naald. Toen er een stroom door de draad ging, draaide de pijl en probeerde er loodrecht op te staan ( rijst. vier ). Dit kan worden verklaard door het verschijnen van een magnetisch veld rond de geleider.

De magnetische krachtlijnen van het veld gecreëerd door een directe geleider met stroom zijn concentrische cirkels in een vlak er loodrecht op, met middelpunten op het punt waar de stroom doorheen gaat ( rijst. vijf ). De richting van de lijnen wordt bepaald door de rechterschroefregel:

Als de schroef in de richting van de veldlijnen wordt gedraaid, beweegt deze in de richting van de stroom in de geleider .

De krachtkarakteristiek van het magnetische veld is magnetische inductievector B . Op elk punt is het tangentieel gericht op de veldlijn. Elektrische veldlijnen beginnen op positieve ladingen en eindigen op negatieve, en de kracht die in dit veld op een lading werkt, wordt tangentieel gericht op de lijn op elk van zijn punten. In tegenstelling tot het elektrische veld zijn de lijnen van het magnetische veld gesloten, wat te wijten is aan de afwezigheid van "magnetische ladingen" in de natuur.

Het magnetische veld van de stroom verschilt in wezen niet van het veld dat wordt gecreëerd door een permanente magneet. In die zin is een analoog van een platte magneet een lange solenoïde - een draadspoel waarvan de lengte veel groter is dan de diameter. Het diagram van de lijnen van het magnetische veld dat hij creëerde, afgebeeld in rijst. 6 , vergelijkbaar met die voor een platte magneet ( rijst. 3 ). De cirkels geven de secties van de draad aan die de solenoïdewikkeling vormen. De stromen die vanaf de waarnemer door de draad vloeien, worden aangegeven met kruisjes en de stromen in de tegenovergestelde richting - richting de waarnemer - worden aangegeven met stippen. Dezelfde aanduidingen worden geaccepteerd voor magnetische veldlijnen wanneer ze loodrecht op het vlak van tekening staan ( rijst. 7 een, b).

De richting van de stroom in de solenoïdewikkeling en de richting van de magnetische veldlijnen erin zijn ook gerelateerd aan de rechterschroefregel, die in dit geval als volgt is geformuleerd:

Als je langs de as van de solenoïde kijkt, creëert de stroom die met de klok mee vloeit een magnetisch veld, waarvan de richting samenvalt met de bewegingsrichting van de rechterschroef ( rijst. 8 )

Op basis van deze regel is het gemakkelijk om erachter te komen dat de getoonde solenoïde rijst. 6 , het rechteruiteinde is de noordpool en het linkeruiteinde is de zuidpool.

Het magnetische veld in de solenoïde is homogeen - de magnetische inductievector heeft daar een constante waarde (B = const). In dit opzicht is de solenoïde vergelijkbaar met een platte condensator, waarbinnen een uniform elektrisch veld wordt gecreëerd.

De kracht die in een magnetisch veld werkt op een geleider met stroom

Proefondervindelijk werd vastgesteld dat op een stroomvoerende geleider in een magnetisch veld een kracht werkt. BIJ homogeen veld een rechte geleider met lengte l, waar stroom I doorheen vloeit, loodrecht op de veldvector B staat, ervaart de kracht: F = I l B .

De richting van de kracht wordt bepaald linker handregel:

Als de vier uitgestrekte vingers van de linkerhand in de richting van de stroom in de geleider worden geplaatst en de handpalm loodrecht op de vector B staat, dan geeft de ingetrokken duim de richting aan van de kracht die op de geleider werkt (rijst. negen ).

Opgemerkt moet worden dat de kracht die op een geleider werkt met stroom in een magnetisch veld niet tangentieel is gericht op zijn krachtlijnen, zoals elektrische kracht, maar loodrecht daarop. Een geleider langs de krachtlijnen wordt niet beïnvloed door de magnetische kracht.

De vergelijking F = IlB maakt het mogelijk om een kwantitatief kenmerk van de magnetische veldinductie te geven.

Houding is niet afhankelijk van de eigenschappen van de geleider en kenmerkt het magnetische veld zelf.

De module van de magnetische inductievector B is numeriek gelijk aan de kracht die werkt op een geleider met een lengte-eenheid die er loodrecht op staat, waardoor een stroom van één ampère stroomt.

In het SI-systeem is de eenheid van magnetische veldinductie tesla (T):

Een magnetisch veld. Tabellen, diagrammen, formules

(Interactie van magneten, Oersted-experiment, magnetische inductievector, vectorrichting, superpositieprincipe. Grafische weergave van magnetische velden, magnetische inductielijnen. Magnetische flux, energiekarakteristiek van het veld. Magnetische krachten, ampèrekracht, Lorentzkracht. Beweging van geladen deeltjes in een magnetisch veld Magnetische eigenschappen van materie, hypothese van Ampère)

Het is een krachtveld dat inwerkt op elektrische ladingen en op lichamen die in beweging zijn en een magnetisch moment hebben, ongeacht de staat van hun beweging. Het magnetische veld is een onderdeel van het elektromagnetische veld.

De stroom van geladen deeltjes of de magnetische momenten van elektronen in atomen creëren een magnetisch veld. Ook ontstaat er een magnetisch veld als gevolg van bepaalde temporele veranderingen in het elektrische veld.

De magnetische veldinductievector B is de belangrijkste vermogenskarakteristiek van het magnetische veld. In de wiskunde wordt B = B (X,Y,Z) gedefinieerd als een vectorveld. Dit concept dient om het fysieke magnetische veld te definiëren en te specificeren. In de wetenschap wordt de vector van magnetische inductie vaak eenvoudigweg kortheidshalve het magnetische veld genoemd. Het is duidelijk dat een dergelijke toepassing een vrije interpretatie van dit concept mogelijk maakt.

Een ander kenmerk van het magnetische veld van de stroom is de vectorpotentiaal.

BIJ wetenschappelijke literatuur dat vind je vaak als belangrijkste kenmerk magnetisch veld, bij afwezigheid van een magnetisch medium (vacuüm) wordt de vector van de magnetische veldsterkte beschouwd. Formeel is deze situatie heel acceptabel, aangezien in vacuüm de magnetische veldsterktevector H en de magnetische inductievector B samenvallen. Tegelijkertijd is de magnetische veldsterktevector in een magnetisch medium niet gevuld met dezelfde fysieke betekenis en is het een secundaire grootheid. Op basis hiervan, met de formele gelijkheid van deze benaderingen voor vacuüm, overweegt het systematische standpunt magnetische inductievector het belangrijkste kenmerk van het huidige magnetische veld.

Het magnetische veld is natuurlijk een speciaal soort materie. Met behulp van deze materie is er een interactie tussen het hebben van een magnetisch moment en bewegende geladen deeltjes of lichamen.

De speciale relativiteitstheorie beschouwt magnetische velden als een gevolg van het bestaan van elektrische velden zelf.

Magnetische en elektrische velden vormen samen een elektromagnetisch veld. De manifestaties van het elektromagnetische veld zijn licht en elektromagnetische golven.

De kwantumtheorie van het magnetische veld beschouwt de magnetische interactie als een apart geval van de elektromagnetische interactie. Het wordt gedragen door een massaloos boson. Een boson is een foton - een deeltje dat kan worden weergegeven als een kwantumexcitatie van een elektromagnetisch veld.

Een magnetisch veld wordt gegenereerd door de stroom van geladen deeltjes, of door een elektrisch veld dat transformeert in tijdruimte, of door de intrinsieke magnetische momenten van de deeltjes. De magnetische momenten van deeltjes voor uniforme waarneming worden formeel gereduceerd tot elektrische stromen.

Berekening van de waarde van het magnetische veld.

Met eenvoudige gevallen kunnen we de waarden van het magnetische veld van een geleider met stroom berekenen volgens de wet van Biot-Savart-Laplace, of met behulp van de circulatiestelling. Op dezelfde manier kan de waarde van het magnetische veld ook worden gevonden voor een stroom die willekeurig is verdeeld in een volume of ruimte. Uiteraard zijn deze wetten van toepassing op constant of relatief langzaam veranderende magnetische en elektrische velden. Dat wil zeggen, in gevallen van aanwezigheid van magnetostatica. Meer complexe gevallen vereisen de berekening van de waarde magnetische veldstroom volgens de vergelijkingen van Maxwell.

Manifestatie van de aanwezigheid van een magnetisch veld.

De belangrijkste manifestatie van het magnetische veld is het effect op de magnetische momenten van deeltjes en lichamen, op bewegende geladen deeltjes. Lorentz-kracht de kracht genoemd die werkt op een elektrisch geladen deeltje dat beweegt in een magnetisch veld. Deze kracht heeft een constante loodrechte richting op de vectoren v en B. Ze heeft ook een evenredige waarde met de lading van het deeltje q, de component van de snelheid v, die loodrecht staat op de richting van de magnetische veldvector B, en de waarde die de magnetische veldinductie B uitdrukt. De Lorentzkracht volgens internationaal systeem eenheden heeft de volgende uitdrukking: F=q, in het CGS-systeem van eenheden: F=q/c

Het vectorproduct wordt weergegeven tussen vierkante haken.

Door de invloed van de Lorentzkracht op langs de geleider bewegende geladen deeltjes kan het magnetische veld ook inwerken op de stroomvoerende geleider. De ampèrekracht is de kracht die werkt op een stroomvoerende geleider. De componenten van deze kracht zijn de krachten die werken op individuele ladingen die in de geleider bewegen.

Het fenomeen van de interactie van twee magneten.

Het fenomeen van het magnetische veld, waarin we elkaar kunnen ontmoeten Alledaagse leven, wordt de interactie van twee magneten genoemd. Het komt tot uiting in het afstoten van identieke polen van elkaar en het aantrekken van tegenovergestelde polen. Vanuit een formeel oogpunt is het beschrijven van de interacties tussen twee magneten als de interactie van twee monopolen een redelijk nuttig, haalbaar en handig idee. Tegelijkertijd laat een gedetailleerde analyse zien dat dit in werkelijkheid geen geheel correcte omschrijving van het fenomeen is. De belangrijkste onbeantwoorde vraag in een dergelijk model is waarom de monopolen niet kunnen worden gescheiden. In feite is experimenteel bewezen dat elk geïsoleerd lichaam geen magnetische lading heeft. Dit model kan ook niet worden toegepast op een magnetisch veld dat wordt gecreëerd door een macroscopische stroom.

Vanuit ons oogpunt is het juist om aan te nemen dat de kracht die werkt op een magnetische dipool die zich in een inhomogeen veld bevindt, de neiging heeft om deze zo te draaien dat het magnetische moment van de dipool dezelfde richting heeft als het magnetische veld. Er zijn echter geen magneten die onderhevig zijn aan de totale kracht van uniforme magnetische veldstroom. De kracht die werkt op een magnetische dipool met een magnetisch moment m wordt uitgedrukt door de volgende formule:

De kracht die vanuit een inhomogeen magnetisch veld op de magneet werkt, wordt uitgedrukt als de som van alle krachten die door deze formule worden bepaald en die inwerken op de elementaire dipolen waaruit de magneet bestaat.

Elektromagnetische inductie.

In het geval van een verandering in de tijd van de stroom van de magnetische inductievector door een gesloten circuit, wordt in dit circuit een EMF van elektromagnetische inductie gevormd. Als het circuit stilstaat, wordt het gegenereerd door een vortex elektrisch veld, dat ontstaat als gevolg van de verandering in het magnetische veld in de loop van de tijd. Wanneer het magnetische veld niet verandert met de tijd en er geen verandering in flux is als gevolg van de beweging van de geleiderlus, wordt de EMF gegenereerd door de Lorentz-kracht.