Какое направление имеет сила действия магнитного поля создаваемого: Сборник идеальных эссе по обществознанию

Содержание

Магнетизм — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

 

Основные теоретические сведения

Сила Ампера

К оглавлению…

Заряженные тела способны создавать кроме электрического еще один вид поля. Если заряды движутся, то в пространстве вокруг них создается особый вид материи, называемый магнитным полем. Следовательно, электрический ток, представляющий собой упорядоченное движение зарядов, тоже создает магнитное поле. Как и электрическое поле, магнитное поле не ограничено в пространстве, распространяется очень быстро, но все же с конечной скоростью. Его можно обнаружить только по действию на движущиеся заряженные тела (и, как следствие, токи).

Для описания магнитного поля необходимо ввести силовую характеристику поля, аналогичную вектору напряженности E электрического поля. Такой характеристикой является вектор B магнитной индукции. В системе единиц СИ за единицу магнитной индукции принят 1 Тесла (Тл). Если в магнитное поле с индукцией B поместить проводник длиной l

с током I, то на него будет действовать сила, называемая силой Ампера, которая вычисляется по формуле:

где: В – индукция магнитного поля, I – сила тока в проводнике, l – его длина. Сила Ампера направлена перпендикулярно вектору магнитной индукции и направлению тока, текущего по проводнику. 

Для определения направления силы Ампера обычно используют правило «Левой руки»: если расположить левую руку так, чтобы линии индукции входили в ладонь, а вытянутые пальцы были направлены вдоль тока, то отведенный большой палец укажет направление силы Ампера, действующей на проводник (см. рисунок).

Если угол α между направлениями вектора магнитной индукции и тока в проводнике отличен от 90°, то для определения направления силы Ампера надо взять составляющую магнитного поля, которая перпендикулярна направлению тока. Решать задачи этой темы нужно так же как и в динамике или статике, т.е. расписав силы по осям координат или складывая силы по правилам сложения векторов.

Момент сил, действующих на рамку с током

Пусть рамка с током находится в магнитном поле, причём плоскость рамки перпендикулярна полю. Силы Ампера будут сжимать рамку, а их равнодействующая будет равна нулю. Если поменять направление тока, то силы Ампера поменяют своё направление, и рамка будет не сжиматься, а растягиваться. Если линии магнитной индукции лежат в плоскости рамки, то возникает вращательный момент сил Ампера. Вращательный момент сил Ампера равен:

где: S — площадь рамки, α — угол между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции (нормаль — вектор, перпендикулярный плоскости рамки), N – количество витков, B – индукция магнитного поля, I – сила тока в рамке.

 

Сила Лоренца

К оглавлению…

Сила Ампера, действующая на отрезок проводника длиной Δl с силой тока I, находящийся в магнитном поле B

может быть выражена через силы, действующие на отдельные носители заряда. Эти силы называют силами Лоренца. Сила Лоренца, действующая на частицу с зарядом q в магнитном поле B, двигающуюся со скоростью v, вычисляется по следующей формуле:

Угол α в этом выражении равен углу между скоростью и вектором магнитной индукции. Направление силы Лоренца, действующей на положительно заряженную частицу, так же, как и направление силы Ампера, может быть найдено по правилу левой руки или по правилу буравчика (как и сила Ампера). Вектор магнитной индукции нужно мысленно воткнуть в ладонь левой руки, четыре сомкнутых пальца направить по скорости движения заряженной частицы, а отогнутый большой палец покажет направление силы Лоренца. Если частица имеет отрицательный заряд, то направление силы Лоренца, найденное по правилу левой руки, надо будет заменить на противоположное.

Сила Лоренца направлена перпендикулярно векторам скорости и индукции магнитного поля. При движении заряженной частицы в магнитном поле

сила Лоренца работы не совершает. Поэтому модуль вектора скорости при движении частицы не изменяется. Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а ее скорость лежит в плоскости, перпендикулярной вектору индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по окружности, радиус которой можно вычислить по следующей формуле:

Сила Лоренца в этом случае играет роль центростремительной силы. Период обращения частицы в однородном магнитном поле равен:

Последнее выражение показывает, что для заряженных частиц заданной массы m период обращения (а значит и частота, и угловая скорость) не зависит от скорости (следовательно, и от кинетической энергии) и радиуса траектории R.

 

Теория о магнитном поле

К оглавлению…

Магнитное взаимодействие токов

Если по двум параллельным проводам идёт ток в одном направлении, то они притягиваются; если в противоположных направлениях, то отталкиваются. Закономерности этого явления были экспериментально установлены Ампером. Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток и наоборот. Опыты показали, что модуль силы, действующей на отрезок длиной Δ

l каждого из проводников, прямо пропорционален силам тока I1 и I2 в проводниках, длине отрезка Δl и обратно пропорционален расстоянию R между ними:

где: μ0 – постоянная величина, которую называют магнитной постоянной. Введение магнитной постоянной в СИ упрощает запись ряда формул. Ее численное значение равно:

μ0 = 4π·10–7 H/A2 ≈ 1,26·10–6 H/A2.

Сравнивая приведенное только что выражение для силы взаимодействия двух проводников с током и выражение для силы Ампера нетрудно получить выражение для

индукции магнитного поля создаваемого каждым из прямолинейных проводников с током на расстоянии R от него:

где: μ – магнитная проницаемость вещества (об этом чуть ниже). Если ток протекает по круговому витку, то в центре витка индукция магнитного поля определяется по формуле:

Силовыми линиями магнитного поля называют линии, по касательным к которым располагаются магнитные стрелки. Магнитной стрелкой называют длинный и тонкий магнит, его полюса точечны. Подвешенная на нити магнитная стрелка всегда поворачивается в одну сторону. При этом один её конец направлен в сторону севера, второй — на юг. Отсюда название полюсов: северный (N) и южный (S). Магниты всегда имеют два полюса: северный (обозначается синим цветом или буквой N) и южный (красным цветом или буквой S). Магниты взаимодействуют так же, как и заряды: одноименные полюса отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Невозможно получить магнит с одним полюсом. Даже если магнит разломать, то у каждой части будет по два разных полюса.

Вектор магнитной индукции

Вектор магнитной индукции — векторная физическая величина, являющаяся характеристикой магнитного поля, численно равная силе, действующей на элемент тока в 1 А и длиной 1 м, если направление силовой линии перпендикулярно проводнику. Обозначается В, единица измерения — 1 Тесла. 1 Тл — очень большая величина, поэтому в реальных магнитных полях магнитную индукцию измеряют в мТл.

Вектор магнитной индукции направлен по касательной к силовым линиям, т.е. совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки, помещённой в данное магнитное поле. Направление вектора магнитной индукции не совпадает с направлением силы, действующей на проводник, поэтому силовые линии магнитного поля, строго говоря, силовыми не являются.

Силовая линия магнитного поля постоянных магнитов направлена по отношению к самим магнитам так, как показано на рисунке:

В случае магнитного поля электрического тока для определения направления силовых линий используют правило «Правой руки»: если взять проводник в правую руку так, чтобы большой палец был направлен по току, то четыре пальца, обхватывающие проводник, показывают направление силовых линий вокруг проводника:

В случае прямого тока линии магнитной индукции — окружности, плоскости которых перпендикулярны току. Вектора магнитной индукции направлены по касательной к окружности.

Соленоид — намотанный на цилиндрическую поверхность проводник, по которому течёт электрический ток I. Магнитное поле соленоида подобно полю прямого постоянного магнита. Внутри соленоида длиной l и количеством витков N создается однородное магнитное поле с индукцией (его направление также определяется правилом правой руки):

Линии магнитного поля имеют вид замкнутых линий — это общее свойство всех магнитных линий. Такое поле называют вихревым. В случае постоянных магнитов линии не оканчиваются на поверхности, а проникают внутрь магнита и замыкаются внутри. Это различие электрического и магнитного полей объясняется тем, что, в отличие от электрических, магнитных зарядов не существует.

Магнитные свойства вещества

Все вещества обладают магнитными свойствами. Магнитные свойства вещества характеризуются относительной магнитной проницаемостью μ, для которой верно следующее:

Данная формула выражает соответствие вектора магнитной индукции поля в вакууме и в данной среде. В отличие от электрического, при магнитном взаимодействии в среде можно наблюдать и усиление, и ослабление взаимодействия по сравнению с вакуумом, у которого магнитная проницаемость μ = 1. У

диамагнетиков магнитная проницаемость μ немного меньше единицы. Примеры: вода, азот, серебро, медь, золото. Эти вещества несколько ослабляют магнитное поле. Парамагнетики — кислород, платина, магний — несколько усиливают поле, имея μ немного больше единицы. У ферромагнетиков — железо, никель, кобальт — μ >> 1. Например, у железа μ ≈ 25000.

 

Магнитный поток. Электромагнитная индукция

К оглавлению…

Явление электромагнитной индукции было открыто выдающимся английским физиком М.Фарадеем в 1831 году. Оно заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении во времени магнитного потока, пронизывающего контур. Магнитным потоком Φ через площадь S контура называют величину:

где: B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором магнитной индукции B и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура,

S – площадь контура, N – количество витком в контуре. Единица магнитного потока в системе СИ называется Вебером (Вб).

Фарадей экспериментально установил, что при изменении магнитного потока в проводящем контуре возникает ЭДС индукции εинд, равная скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой со знаком минус:

Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум возможным причинам.

  1. Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
  2. Вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре.

При решении задач важно сразу определить за счет чего меняется магнитный поток. Возможно три варианта:

  1. Меняется магнитное поле.
  2. Меняется площадь контура.
  3. Меняется ориентация рамки относительно поля.

При этом при решении задач обычно считают ЭДС по модулю. Обратим внимание также внимание на один частный случай, в котором происходит явление электромагнитной индукции. Итак, максимальное значение ЭДС индукции в контуре состоящем из N витков, площадью S, вращающемся с угловой скоростью ω в магнитном поле с индукцией В:

 

Движение проводника в магнитном поле

К оглавлению…

При движении проводника длиной l в магнитном поле B со скоростью v на его концах возникает разность потенциалов, вызванная действием силы Лоренца на свободные электроны в проводнике. Эту разность потенциалов (строго говоря, ЭДС) находят по формуле:

где: α — угол, который измеряется между направлением скорости и вектора магнитной индукции. В неподвижных частях контура ЭДС не возникает.

Если стержень длиной L вращается в магнитном поле В вокруг одного из своих концов с угловой скоростью ω, то на его концах возникнет разность потенциалов (ЭДС), которую можно рассчитать по формуле:

 

Индуктивность. Самоиндукция. Энергия магнитного поля

К оглавлению…

Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции, когда изменяющийся магнитный поток, вызывающий ЭДС индукции, создается током в самом контуре. Если ток в рассматриваемом контуре по каким-то причинам изменяется, то изменяется и магнитное поле этого тока, а, следовательно, и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. В контуре возникает ЭДС самоиндукции, которая согласно правилу Ленца препятствует изменению тока в контуре. Собственный магнитный поток Φ, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока I:

Коэффициент пропорциональности L в этой формуле называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью катушки. Единица индуктивности в СИ называется Генри (Гн).

Запомните: индуктивность контура не зависит ни от магнитного потока, ни от силы тока в нем, а определяется только формой и размерами контура, а также свойствами окружающей среды. Поэтому при изменении силы тока в контуре индуктивность остается неизменной. Индуктивность катушки можно рассчитать по формуле:

где: n — концентрация витков на единицу длины катушки:

ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке с постоянным значением индуктивности, согласно формуле Фарадея равна:

Итак ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в ней.

Магнитное поле обладает энергией. Подобно тому, как в заряженном конденсаторе имеется запас электрической энергии, в катушке, по виткам которой протекает ток, имеется запас магнитной энергии. Энергия Wм магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, может быть рассчитана по одной из формул (они следуют друг из друга с учётом формулы Φ = LI):

Соотнеся формулу для энергии магнитного поля катушки с её геометрическими размерами можно получить формулу для объемной плотности энергии магнитного поля (или энергии единицы объёма):

 

Правило Ленца

К оглавлению…

Инерция – явление, происходящее и в механике (при разгоне автомобиля мы отклоняемся назад, противодействуя увеличению скорости, а при торможении отклоняемся вперёд, противодействуя уменьшению скорости), и в молекулярной физике (при нагревании жидкости увеличивается скорость испарения, самые быстрые молекулы покидают жидкость, уменьшая скорость нагревания) и так далее. В электромагнетизме инерция проявляется в противодействии изменению магнитного потока, пронизывающего контур. Если магнитный поток нарастает, то возникающий в контуре индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать нарастанию магнитного потока, а если магнитный поток убывает, то возникающий в контуре индукционный ток направлен так, чтобы препятствовать убыванию магнитного потока.

Правило Ленца для определения направления индукционного тока: возникающий в контуре индукционный ток имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, которое вызывало этот ток.

Сила лоренца векторный вид. Сила лоренца, определение, формула, физический смысл

Нигде еще школьный курс физики так сильно не перекликается с большой наукой, как в электродинамике. В частности, ее краеугольный камень – воздействие на заряженные частицы со стороны электромагнитного поля, нашло широкое применение в электротехнике.

Формула силы Лоренца

Формула описывает взаимосвязь магнитного поля и основных характеристик движущегося заряда. Но сперва нужно разобраться, что же оно собой представляет.

Определение и формула силы Лоренца

В школе очень часто показывают опыт с магнитом и железными опилками на бумажном листе. Если расположить его под бумагой и слегка потрясти, то опилки выстроятся по линиям, которые принято называть линиями магнитной напряженности. Говоря простыми словами, это силовое поле магнита, которое окружает его подобно кокону. Оно замкнуто само на себя, то есть не имеет ни начала, ни конца. Это векторная величина, которая направлена от южного полюса магнита к северному.

Если бы в него влетела заряженная частица, то поле воздействовало бы на него очень любопытным образом. Она бы не затормозилась и не ускорилась, а всего лишь отклонилась в сторону. Чем она быстрее и чем сильнее поле, тем больше на нее действует эта сила. Ее назвали силой Лоренца в честь ученого-физика, впервые открывшего это свойство магнитного поля.

Вычисляют ее по специальной формуле:

здесь q – величина заряда в Кулонах, v – скорость, с которой движется заряд, в м/с, а B – индукция магнитного поля в единице измерения Тл (Тесла).

Направление силы Лоренца

Ученые заметили, что есть определенная закономерность между тем, как частица влетает в магнитное поле и тем, куда оно ее отклоняет. Чтобы ее было легче запомнить, они разработали специальное мнемоническое правило. Для его запоминания нужно совсем немного усилий, ведь в нем используется то, что всегда под рукой – рука. Точнее, левая ладонь, в честь чего оно носит название правила левой руки.


Итак, ладонь должна быть раскрыта, четыре пальца смотрят вперед, большой палец оттопырен в сторону. Угол между ними составляет 900. Теперь необходимо представить, что магнитный поток представляет собой стрелу, которая впивается в ладонь с внутренней стороны и выходит с тыльной. Пальцы при этом смотрят туда же, куда летит воображаемая частица. В таком случае большой палец покажет, куда она отклонится.

Интересно!

Важно отметить, что правило левой руки действует только для частиц со знаком «плюс». Чтобы узнать, куда отклонится отрицательный заряд, нужно четыре пальца направить в сторону, откуда летит частица. Все остальные манипуляции остаются прежними.

Следствия свойств силы Лоренца

Тело влетает в магнитном поле под каким-то определённым углом. Интуитивно понятно, что его величина имеет какое-то значение на характер воздействия на него поля, здесь нужно математическое выражение, чтобы стало понятнее. Следует знать, что как сила, так и скорость являются векторными величинами, то есть имеют направление. То же самое относится и к линиям магнитной напряженности. Тогда формулу можно записать следующим образом:

sin α здесь – это угол между двумя векторными величинами: скоростью и потоком магнитного поля.

Как известно, синус нулевого угла также равен нулю. Получается, что если траектория движения частицы проходит вдоль силовых линий магнитного поля, то она никуда не отклоняется.


В однородном магнитном поле силовые линии имеют одинаковое и постоянное расстояние друг от друга. Теперь представим, что в таком поле перпендикулярно этим линиям движется частица. В этом случае сила Лоуренса заставит двигаться ее по окружности в плоскости, перпендикулярной силовым линиям. Чтобы найти радиус этой окружности, нужно знать массу частицы:

Значение заряда не случайно взято как модуль. Это означает, что неважно, отрицательная или положительная частица входит в магнитное поле: радиус кривизны будет одинаков. Изменится только направление, в котором она полетит.

Во всех остальных случаях, когда заряд имеет определенный угол α с магнитным полем, он будет двигаться по траектории, напоминающей спираль с постоянным радиусом R и шагом h. Его можно найти по формуле:

Еще одним следствием свойств этого явления является тот факт, что она не совершает никакой работы. То есть она не отдает и не забирает энергию у частицы, а лишь меняет направление ее движения.


Самая яркая иллюстрация этого эффекта взаимодействия магнитного поля и заряженных частиц – это северное сияние. Магнитное поле, окружающее нашу планету, отклоняет заряженные частицы, прилетающие от Солнца. Но так как оно слабее всего на магнитных полюсах Земли, то туда проникают электрически заряженные частицы, вызывая свечение атмосферы.

Центростремительное ускорение, которое придается частицам, используется в электрических машинах – электродвигателях. Хотя уместнее здесь говорить о силе Ампера – частном проявлении силы Лоуренса, которая воздействует на проводник.

Принцип действия ускорителей элементарных частиц также основан на этом свойстве электромагнитного поля. Сверхпроводящие электромагниты отклоняют частицы от прямолинейного движения, заставляя их двигаться по кругу.


Самое любопытное заключается в том, что сила Лоренца не подчиняется третьему закону Ньютона, который гласит, что всякому действию есть свое противодействие. Связано это с тем, что Исаак Ньютон верил, что всякое взаимодействие на любом расстоянии происходит мгновенно, однако это не так. На самом деле оно происходит с помощью полей. К счастью, конфуза удалось избежать, так как физикам удалось переработать третий закон в закон сохранения импульса, который выполняется в том числе и для эффекта Лоуренса.

Формула силы Лоренца при наличии магнитного и электрического полей

Магнитное поле имеется не только у постоянных магнитов, но и у любого проводника электричества. Только в данном случае помимо магнитной составляющей, в ней присутствует еще и электрическая. Однако даже в этом электромагнитном поле эффект Лоуренса продолжает свое воздействие и определяется по формуле:

где v – скорость электрически заряженной частицы, q – ее заряд, B и E – напряженности магнитного и электрических полей поля.

Единицы измерения силы Лоренца

Как и большинство других физических величин, которые действуют на тело и изменяют его состояние, она измеряется в ньютонах и обозначается буквой Н.

Понятие напряженности электрического поля

Электромагнитное поле на самом деле состоит из двух половин – электрической и магнитной. Они точно близнецы, у которых все одинаково, но вот характер разный. А если приглядеться, то во внешности можно заметить небольшие различия.


То же самое касается и силовых полей. Электрическое поле тоже обладает напряженностью – векторной величиной, которая является силовой характеристикой. Она воздействует на частицы, которые в неподвижности находятся в нем. Само по себе оно не является силой Лоренца, ее просто нужно принимать во внимание, когда вычисляется воздействие на частицу в условиях наличия электрического и магнитного полей.

Напряженность электрического поля

Напряженность электрического поля воздействует только на неподвижный заряд и определяется по формуле:

Единицей измерения является Н/Кл или В/м.

Примеры задачи

Задача 1

На заряд в 0,005 Кл, который движется в магнитном поле с индукцией 0,3 Тл, действует сила Лоренца. Вычислить ее, если скорость заряда 200 м/с, а движется он под углом 450 к линиям магнитной индукции.

Задача 2

Определить скорость тела, имеющего заряд и которое движется в магнитном поле с индукцией 2 Тл под углом 900. Величина, с которой поле воздействует на тело, равна 32 Н, заряд тела – 5 × 10-3 Кл.

Задача 3

Электрон движется в однородном магнитном поле под углом 900 ее силовым линиям. Величина, с которой поле воздействует на электрон, равна 5 × 10-13 Н. Величина магнитной индукции равна 0,05 Тл. Определить ускорение электрона.

aц=v2R=6×10726,8×10-3=5×1017мс2

Электродинамика оперирует такими понятиями, которым трудно подобрать аналогию в обычном мире. Но это совсем не значит, что их невозможно постичь. С помощью различных наглядных экспериментов и природных явлений процесс познания мира электричества может стать по настоящему захватывающим.

Сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся электрически заряженную частицу.

где q — заряд частицы;

V — скорость заряда;

a — угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции .

Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки:

Если поставить левую руку так, чтобы перпендикулярная скорости составляющая вектора индукции входила в ладонь, а четыре пальца были бы расположены по направлению скорости движения положительного заряда (или против направления скорости отрицательного заряда), то отогнутый большой палец укажет направление силы Лоренца:

Так как сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости заряда, то она не совершает работы (т.е. не изменяет величину скорости заряда и его кинетическую энергию).

Если заряженная частица движется параллельно силовым линиям магнитного поля, то Fл = 0 , и заряд в магнитном поле движетсяравномерно и прямолинейно.

Если заряженная частица движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то сила Лоренца является центростремительной:

и создает центростремительное ускорение равное:

В этом случае частица движется по окружности.

Согласно второму закону Ньютона : сила Лоренца равнв произведению массы частицы на центростремительное ускорение:

тогда радиус окружности:

а период обращения заряда в магнитном поле:

Так как электрический ток представляет собой упорядоченное движение зарядов, то действие магнитного поля на проводник с током есть результат его действия на отдельные движущиеся заряды. Если внести проводник с током в магнитное поле (фиг.96,а), то мы увидим, что в результате сложения магнитных полей магнита и проводника произойдет усиление результирующего магнитного поля с одной стороны проводника (на чертеже сверху) и ослабление магнитного поля с другой стороны проводника (на чертеже снизу). В результате действия двух магнитных полей произойдет искривление магнитных линий и они, стремясь сократиться, будут выталкивать проводник вниз (фиг. 96, б).

Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, можно определить по «правилу левой руки». Если левую руку расположить в магнитном поле так, чтобы магнитные линии, выходящие из северного полюса, как бы входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока в проводнике, то большой отогнутый палец руки покажет направление действия силы. Сила Ампера , действующая на элемент длины проводника, зависит: от величины магнитной индукции В, величины тока в проводнике I, от элемента длины проводника и от синуса угла а между направлением элемента длины проводника и направлением магнитного поля.

Эта зависимость может быть выражена формулой:

Для прямолинейного проводника конечной длины, помещенного перпендикулярно к направлению равномерного магнитного поля, сила, действующая на проводник, будет равна:

Из последней формулы определим размерность магнитной индукции.

Так как размерность силы:

т. е. размерность индукции такая же, какая была получена нами из закона Био и Савара.

Тесла (единица магнитной индукции)

Тесла, единица магнитной индукции Международной системы единиц, равная магнитной индукции, при которой магнитный поток сквозь поперечное сечение площадью 1 м 2 равен 1 веберу. Названа по имени Н. Тесла . Обозначения: русское тл, международное Т. 1 тл = 104 гс (гаусс ).

Магни?тный моме?нт , магни?тный дипо?льный моме?нт — основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Магнитный момент измеряется в А⋅м 2 или Дж/Тл (СИ), либо эрг/Гс (СГС), 1 эрг/Гс = 10 -3 Дж/Тл. Специфической единицей элементарного магнитного момента является магнетон Бора . В случае плоского контура с электрическим током магнитный момент вычисляется как

где — сила тока в контуре, — площадь контура, — единичный вектор нормали к плоскости контура. Направление магнитного момента обычно находится по правилу буравчика: если вращать ручку буравчика в направлении тока, то направление магнитного момента будет совпадать с направлением поступательного движения буравчика.

Для произвольного замкнутого контура магнитный момент находится из:

где — радиус-вектор, проведенный из начала координат до элемента длины контура

В общем случае произвольного распределения токов в среде:

где — плотность тока в элементе объёма .

Итак, на контур с током в магнитном поле действует вращающий момент. Контур ориентируется в данной точке поля только одним способом. Примем положительное направление нормали за направление магнитного поля в данной точке. Вращающий момент прямо пропорционален величине тока I , площади контура S и синусу угла между направлением магнитного поля и нормали .

здесь М вращающий момент , или момент силы , — магнитный момент контура (аналогично — электрический момент диполя).

В неоднородном поле () формула справедлива, если размер контура достаточно мал (тогда в пределах контура поле можно считать приближенно однородным). Следовательно, контур с током по-прежнему стремится развернуться так, чтобы его магнитный момент был направлен вдоль линий вектора .

Но, кроме того, на контур действует результирующая сила (в случае однородного поля и . Эта сила действует на контур с током или на постоянный магнит с моментом и втягивает их в область более сильного магнитного поля.
Работа по перемещению контура с током в магнитном поле.

Нетрудно доказать, что работа по перемещению контура с током в магнитном поле равна , где и — магнитные потоки через площадь контура в конечном и начальном положениях. Эта формула справедлива, если ток в контуре постоянен , т.е. при перемещении контура не учитывается явление электромагнитной индукции.

Формула справедлива и для больших контуров в сильно неоднородном магнитном поле (при условии I= const).

Наконец, если контур с током не смещать, а изменять магнитное поле, т.е. изменять магнитный поток через поверхность, охватываемую контуром, от значения до то для этого надо совершить ту же работу . Эта работа называется работой изменения магнитного потока, связанного с контуром. Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком) через площадку dS называется скалярная физическая величина, которая равна

где B n =Вcosα — проекция вектора В на направление нормали к площадке dS (α — угол между векторами n и В ), dS = dSn — вектор, у которого модуль равен dS, а направление его совпадает с направлением нормали n к площадке. Поток вектора В может быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от знака cosα (задается выбором положительного направления нормали n ). Поток вектора В обычно связывают с контуром, по которому течет ток. В этом случае положительное направление нормали к контуру нами задавалось: оно связывается с током правилом правого винта. Значит, магнитный поток, который создается контуром, через поверхность, ограниченную им самим, всегда положителен.

Поток вектора магнитной индукции Ф B через произвольную заданную поверхность S равен

Для однородного поля и плоской поверхности, которая расположена перпендикулярно вектору В , B n =B=const и

Из этой формулы задается единица магнитного потока вебер (Вб): 1 Вб — магнитный поток, который проходит сквозь плоскую поверхность площадью 1 м 2 , который расположен перпендикулярно однородному магнитному полю и индукция которого равна 1 Тл (1 Вб=1 Тл.м 2).

Теорема Гаусса для поля В : поток вектора магнитной индукции сквозь любую замкнутую поверхность равен нулю:

Эта теорема является отражением факта, что магнитные заряды отсутствуют , вследствие чего линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца и являются замкнутыми.

Следовательно, для потоков векторов В и Е сквозь замкнутую поверхность в вихревом и потенциальном полях получаются различные формулы.

В качестве примера найдем поток вектора В сквозь соленоид. Магнитная индукция однородного поля внутри соленоида с сердечником с магнитной проницаемостью μ, равна

Магнитный поток сквозь один виток соленоида площадью S равен

а полный магнитный поток, который сцеплен со всеми витками соленоида и называемый потокосцеплением ,

Почему одних ученых история вносит на свои страницы золотыми буквами, а некоторых стирает бесследно? Каждый пришедший в науку обязан оставить в ней свой след. Именно по величине и глубине этого следа судит история. Так, Ампер и Лоренц внесли неоценимый вклад в развитие физики, что дало возможность не только развивать научные теории, но получило весомую практическую ценность. Как появился телеграф? Что такое электромагниты? На все эти вопросы даст ответ сегодняшний урок.

Для науки представляют огромную ценность полученные знания, которые впоследствии могут найти свое практическое применение. Новые открытия не только расширяют исследовательские горизонты, но и ставят новые вопросы, проблемы.

Выделим основные открытия Ампера в области электромагнетизма.

Во-первых, это взаимодействия проводников с током. Два параллельных проводника с токами притягиваются друг к другу, если токи в них сонаправлены, и отталкиваются, если токи в них противонаправлены (рис. 1).

Рис. 1. Проводники с током

Закон Ампера гласит:

Сила взаимодействия двух параллельных проводников пропорциональна произведению величин токов в проводниках, пропорциональна длине этих проводников и обратно пропорциональна расстоянию между ними.

Сила взаимодействия двух параллельных проводников,

Величины токов в проводниках,

− длина проводников,

Расстояние между проводниками,

Магнитная постоянная.

Открытие этого закона позволило ввести в единицы измерения величину силы тока, которой до того времени не существовало. Так, если исходить из определения силы тока как отношения количества заряда перенесенного через поперечное сечение проводника в единицу времени, то мы получим принципиально не измеряемую величину, а именно количество заряда, переносимое через поперечное сечение проводника. На основании этого определения мы не сможем ввести единицу измерения силы тока. Закон Ампера позволяет установить связь между величинами сил тока в проводниках и величинами, которые можно измерить опытным путем: механической силой и расстоянием. Таким образом, получена возможность ввести в рассмотрение единицу силы тока — 1 А (1 ампер).

Ток в один ампер — это такой ток, при котором два однородных параллельных проводника, расположенных в вакууме на расстоянии один метрот друга взаимодействуют с силой Ньютона.

Закон взаимодействия токов — два находящихся в вакууме параллельных проводника, диаметры которых много меньше расстояний между ними, взаимодействуют с силой, прямо пропорциональной произведению токов в этих проводниках и обратно пропорциональной расстоянию между ними.

Еще одно открытие Ампера – это закон действия магнитного поля на проводник с током. Он выражается прежде всего в действии магнитного поля на виток или рамку с током. Так, на виток с током в магнитном поле действует момент силы, которая стремится развернуть этот виток таким образом, чтобы его плоскость стала перпендикулярна линиям магнитного поля. Угол поворота витка прямо пропорционален величине тока в витке. Если внешнее магнитное поле в витке постоянно, то значение модуля магнитной индукции также величина постоянная. Площадь витка при не очень больших токах также можно считать постоянной, следовательно, справедливо то, что сила тока равна произведению момента сил, разворачивающих виток с током, на некоторую постоянную при неизменных условиях величину.

– сила тока,

– момент сил, разворачивающих виток с током.

Следовательно, появляется возможность измерять силу тока по величине угла поворота рамки, которая реализована в измерительном приборе – амперметре (рис. 2).

Рис. 2. Амперметр

После открытия действия магнитного поля на проводник с током Ампер понял, что это открытие можно использовать для того, чтобы заставить проводник двигаться в магнитном поле. Так, магнетизм можно превратить в механическое движение – создать двигатель. Одним из первых, работающих на постоянном токе, был электродвигатель (рис. 3), созданный в 1834 г. русским электротехником Б.С. Якоби.

Рис. 3. Двигатель

Рассмотрим упрощенную модель двигателя, которая состоит из неподвижной части с закрепленными на ней магнитами – статора. Внутри статора может свободно вращаться рамка из проводящего материала, которая называется ротором. Для того чтобы по рамке мог протекать электрический ток, она соединена с клеммами при помощи скользящих контактов (рис. 4). Если подключить двигатель к источнику постоянного тока в цепь с вольтметром, то при замыкании цепи рамка с током начнет вращение.

Рис. 4. Принцип работы электродвигателя

В 1269 г. французский естествоиспытатель Пьер де Марикур написал труд под названием «Письмо о магните». Основной целью Пьера де Марикура было создание вечного двигателя, в котором он собирался использовать удивительные свойства магнитов. Насколько успешными были его попытки, неизвестно, но достоверно то, что Якоби использовал свой электродвигатель для того, чтобы привести в движение лодку, при этом ему удалось ее разогнать до скорости 4,5 км/ч.

Необходимо упомянуть еще об одном устройстве, работающем на основе законов Ампера. Ампер показал, что катушка с током ведет себя подобно постоянному магниту. Это значит, что можно сконструировать электромагнит – устройство, мощность которого можно регулировать (рис. 5).

Рис. 5. Электромагнит

Именно Амперу пришла идея о том, что, скомбинировав проводники и магнитные стрелки, можно создать устройство, которое предает информацию на расстояние.

Рис. 6. Электрический телеграф

Идея телеграфа (рис. 6) возникла в первые же месяцы после открытия электромагнетизма.

Однако широкое распространение электромагнитный телеграф приобрел после того, как Самюэль Морзе создал более удобный аппарат и, главное, разработал двоичную азбуку, состоящую из точек и тире, которая так и называется: азбука Морзе.

С передающего телеграфного аппарата с помощью «ключа Морзе», который замыкает электрическую цепь, в линии связи формируются короткие или длинные электрические сигналы, соответствующие точкам или тире азбуки Морзе. На приемном телеграфном аппарате (пишущий прибор) на время прохождения сигнала (электрического тока) электромагнит притягивает якорь, с которым жестко связано пишущее металлическое колесико или писец, которые оставляют чернильный след на бумажной ленте (рис. 7).

Рис. 7. Схема работы телеграфа

Математик Гаусс, когда познакомился с исследованиями Ампера, предложил создать оригинальную пушку (рис. 8), работающую на принципе действия магнитного поля на железный шарик – снаряд.

Рис. 8. Пушка Гаусса

Необходимо обратить внимание на то, в какую историческую эпоху были сделаны эти открытия. В первой половине XIX века Европа семимильными шагами шла по пути промышленной революции – это было благодатное время для научно-исследовательских открытий и быстрого внедрения их в практику. Ампер, несомненно, внес весомый вклад в этот процесс, дав цивилизации электромагниты, электродвигатели и телеграф, которые до сих пор находят широкое применение.

Выделим основные открытия Лоренца.

Лоренц установил, что магнитное поле действует на движущуюся в нем частицу, заставляя ее двигаться по дуге окружности:

Cила Лоренца — центростремительная сила, перпендикулярная направлению скорости. Прежде всего, открытый Лоренцем закон, позволяет определять такую важнейшую характеристику, как отношение заряда к массе — удельный заряд .

Значение удельного заряда — величина уникальная для каждой заряженной частицы, что позволяет их идентифицировать, будь то электрон, протон или любая другая частица. Таким образом, ученые получили мощный инструмент для исследования. Например, Резерфорд сумел провести анализ радиоактивного излучения и выявил его компоненты, среди которых присутствуют альфа-частицы — ядра атома гелия — и бета-частицы — электроны.

В ХХ веке появились ускорители, работа которых основана на том, что заряженные частицы ускоряются в магнитном поле. Магнитное поле искривляет траектории частиц (рис. 9). Направление изгиба следа позволяет судить о знаке заряда частицы; измерив радиус траектории, можно определить скорость частицы, если известны ее масса и заряд.

Рис. 9. Искривление траектории частиц в магнитном поле

На этом принципе разработан Большой адронный коллайдер (рис. 10). Благодаря открытиям Лоренца наука получила принципиально новый инструмент для физических исследований, открывая дорогу в мир элементарных частиц.

Рис. 10. Большой адронный коллайдер

Для того чтобы охарактеризовать влияние ученого на технический прогресс, вспомним о том, что из выражения для силы Лоренца вытекает возможность рассчитать радиус кривизны траектории частицы, которая движется в постоянном магнитном поле. При неизменных внешних условиях этот радиус зависит от массы частицы, ее скорости и заряда. Таким образом, получаем возможность классифицировать заряженные частицы по этим параметрам и, следовательно, можем проводить анализ какой-либо смеси. Если смесь веществ в газообразном состоянии ионизировать, разогнать и направить в магнитное поле, то частицы начнут двигаться по дугам окружностей с различными радиусами — частицы будут покидать поле в разных точках, и остается только зафиксировать эти точки вылета, что реализуется при помощи экрана, покрытого люминофором, который светится при попадании на него заряженных частиц. Именно по такой схеме работает масс-анализатор (рис. 11). Масс-анализаторы широко применяют в физике и химии для анализа состава смесей.

Рис. 11. Масс-анализатор

Это еще не все технические устройства, которые работают на основе разработок и открытий Ампера и Лоренца, ведь научное знание рано или поздно перестает быть исключительной собственностью ученых и становится достоянием цивилизации, при этом оно воплощается в различных технических устройствах, которые делают нашу жизнь более комфортной.

Список литературы

  1. Касьянов В.А., Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. — 4-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2004. — 416с.: ил., 8 л. цв. вкл.
  2. Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И., Физика 11. — М.: Мнемозина.
  3. Тихомирова С.А., Яворский Б.М., Физика 11. — М.: Мнемозина.
  1. Интернет-портал «Чип и Дип» ().
  2. Интернет-портал «Киевская городская библиотека» ().
  3. Интернет-портал «Институт дистанционного образования» ().

Домашнее задание

1. Касьянов В.А., Физика 11 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений. — 4-е изд., стереотип. — М.: Дрофа, 2004. — 416с.: ил., 8 л. цв. вкл., ст. 88, в. 1-5.

2. В камере Вильсона, которая размещена в однородном магнитном поле с индукцией 1,5 Тл, альфа-частица, влетая перпендикулярно к линиям индукции, оставляет след в виде дуги окружности радиусом 2,7 см. Определите импульс и кинетическую энергию частицы. Масса альфа-частицы 6,7∙10 -27 кг, а заряд 3,2∙10 -19 Кл.

3. Масс-спектрограф. Пучок ионов, разогнанных разницей потенциалов 4 кВ, влетает в однородное магнитное поле с магнитной индукцией 80 мТл перпендикулярно линиям магнитной индукции. Пучок состоит из ионов двух типов с молекулярными массами 0,02 кг/моль и 0,022 кг/моль. Все ионы обладают зарядом 1,6 ∙ 10 -19 Кл. Ионы вылетают из поля двумя пучками (рис. 5). Найти расстояние между пучками ионов, которые вылетают.

4. * С помощью электродвигателя постоянного тока поднимают груз на тросе. Если отключить электродвигатель от источника напряжения и замкнуть ротор накоротко, груз будет опускаться с постоянной скоростью. Объясните это явление. В какую форму переходит потенциальная энергия груза?

но ток причем , тогда

Т.к. nS dl число зарядов в объёме S dl , тогда для одного заряда

или

Сила Лоренца сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся со скоростью положительный заряд (здесь – скорость упорядоченного движения носителей положительного заряда ). Модуль лоренцевой силы:

где α – угол между и .

Из (2.5.4) видно, что на заряд, движущийся вдоль линии , не действует сила ().

Лоренц Хендрик Антон (1853–1928) – нидерландский физик-теоретик, создатель классической электронной теории, член Нидерландской АН. Вывел формулу, связывающую диэлектрическую проницаемость с плотностью диэлектрика, дал выражение для силы, действующей на движущийся заряд в электромагнитном поле (сила Лоренца), объяснил зависимость электропроводности вещества от теплопроводности, развил теорию дисперсии света. Разработал электродинамику движущихся тел. В 1904 г. вывел формулы, связывающие между собой координаты и время одного и того же события в двух различных инерциальных системах отсчета (преобразования Лоренца).

Направлена сила Лоренца перпендикулярно к плоскости, в которой лежат векторы и . К движущемуся положительному заряду применимо правило левой руки или «правило буравчика » (рис. 2.6).

Направление действия силы для отрицательного заряда – противоположно, следовательно, к электронам применимо правило правой руки .

Так как сила Лоренца направлена перпендикулярно движущемуся заряду, т.е. перпендикулярно , работа этой силы всегда равна нулю . Следовательно, действуя на заряженную частицу, сила Лоренца не может изменить кинетическую энергию частицы.

Часто лоренцевой силой называют сумму электрических и магнитных сил :

, (2.5.4)

здесь электрическая сила ускоряет частицу, изменяет ее энергию.

Повседневно действие магнитной силы на движущийся заряд мы наблюдаем на телевизионном экране (рис. 2.7).

Движение пучка электронов по плоскости экрана стимулируется магнитным полем отклоняющей катушки. Если поднести постоянный магнит к плоскости экрана, то легко заметить его воздействие на электронный пучок по возникающим в изображении искажениям.

Действие лоренцевой силы в ускорителях заряженных частиц подробно описано в п. 4.3.

«Физика — 11 класс»

Магнитное поле действует с силой на движущиеся заряженные частицы, в то числе и на проводники с током.
Какова же сила, действующая на одну частицу?

1.
Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца в честь великого голландского физика X. Лоренца, создавшего электронную теорию строения вещества.
Силу Лоренца можно найти с помощью закона Ампера.

Модуль силы Лоренца равен отношению модуля силы F, действующей на участок проводника длиной Δl, к числу N заряженных частиц, упорядоченно движущихся в этом участке проводника:

Так как сила (сила Ампера), действующая на участок проводника со стороны магнитного поля
равна F = | I | BΔl sin α ,
а сила тока в проводнике равна I = qnvS
где
q — заряд частиц
n — концентрация частиц (т.е. число зарядов в единице объема)
v — скорость движения частиц
S — поперечное сечение проводника.

Тогда получаем:
На каждый движущийся заряд со стороны магнитного поля действует сила Лоренца , равная:

где α — угол между вектором скорости и вектором магнитной индукции.

Сила Лоренца перпендикулярна векторам и .

2.
Направление силы Лоренца

Направление силы Лоренца определяется с помощью того же правила левой руки , что и направление силы Ампера:

Если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции, перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного), то отогнутый на 90° большой палец укажет направление действующей на заряд силы Лоренца F л

3.
Если в пространстве, где движется заряженная частица, существует одновременно и электрическое поле, и магнитное поле, то суммарная сила, действующая на заряд, равна: = эл + л где сила, с которой электрическое поле действует на заряд q, равна F эл = q.

4.
Cила Лоренца не совершает работы , т.к. она перпендикулярна вектору скорости частицы.
Значит сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и, следовательно, модуль ее скорости.
Под действием силы Лоренца меняется лишь направление скорости частицы.

5.
Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле

Есть однородное магнитное поле , направленное перпендикулярно к начальной скорости частицы .

Сила Лоренца зависит от модулей векторов скорости частицы и индукции магнитного поля.
Магнитное поле не меняет модуль скорости движущейся частицы, значит остается неизменным и модуль силы Лоренца.
Сила Лоренца перпендикулярна скорости и, следовательно, определяет центростремительное ускорение частицы.
Неизменность по модулю центростремительного ускорения частицы, движущейся с постоянной по модулю скоростью, означает, что

В однородном магнитном поле заряженная частица равномерно движется по окружности радиусом r .

Согласно второму закону Ньютона

Тогда радиус окружности по которой движется частица, равен:

Время, за которое частица делает полный оборот (период обращения), равно:

6.
Использование действия магнитного поля на движущийся заряд.

Действие магнитного поля на движущийся заряд используют в телевизионных трубках-кинескопах, в которых летящие к экрану электроны отклоняются с помощью магнитного поля, создаваемого особыми катушками.

Сила Лоренца используется в циклотроне — ускорителе заряженных частиц для получения частиц с большими энергиями.

На действии магнитного поля основано также и устройство масс-спектрографов, позволяющих точно определять массы частиц..

Что такое магнетизм? | Goudsmit Magnetics

Кривая BH позволяет получить представление о следующих магнитных свойствах:

 

Кривая намагничивания (De-) — кривая BH = кривая гистерезиса

При периодически изменяющемся внешнем магнитном поле H намагниченность ферромагнитного материала отражает кривую намагничивания. Начиная с «исходного» материала без чистого намагничивания, синяя кривая появляется при первом приложении поля (см. изображение ниже).

При достижении плотности потока насыщения с напряженностью магнитного поля Hs, намагниченность не увеличивается.


Остаточная напряженность поля BR
Если затем инвертировать поле, намагниченность при напряженности поля H = 0 не уменьшится полностью до нуля. Существует напряженность остаточного поля BRв результате того, что «области Вейса» не вернулись в исходное состояние.


Напряженность коэрцитивного магнитного поля Hc
Только в случае, если внешняя напряженность поля достигла противоположно направленного значения — напряженность коэрцитивного магнитного поля Hc, намагниченность В = 0, и продукт размагничивается. Площадь петли, через которую проходит переменная намагниченность, является мерой потерь. Материалы с низкими значениями Hc и, следовательно, с небольшими гистерезис-петлями называются мягкими магнитными материалами. Если Hc очень большой, они называются твердыми магнитными материалами.

 

‘Гистерезис’ присутствует в ферромагнитном материале. Это показано на рисунке ниже. Напряженность магнитного поля H показана вдоль оси x, а степень намагниченности (магнитная индукция) B — вдоль оси у. Если магнитное поле отсутствует, намагниченности в начале нет, и мы снова оказываемся в точке начала координат графика.

 

Если приложить магнитное поле, ферромагнитный материал становится магнитным. Воздействие продолжается до тех пор, пока все «области Вейса» в материале не будут иметь одинаковую ориентацию. Теперь материал имеет максимальную намагниченность, и увеличение магнитного поля не оказывает дальнейшего влияния на степень намагниченности. Если магнитное поле ослабить, области Вейса по большей части сохранят свое положение.

 

Когда поле становится более отрицательным, общая намагниченность также изменяет направление. Это продолжается до тех пор, пока все спины не будут ориентированы в другом направлении и намагниченность не изменится. Теперь продукт размагничен.

 

Назад к содержанию

 

Кривая гистерезиса (кривая BH)

Магнитное поле, силовые линии, вектор магнитной индукции, принцип суперпозиции. Курсы по физике

Тестирование онлайн

  • Магнитное поле. Основные понятия

  • Магнитное поле. Вектор магнитной индукции

Магнитное поле

Уже в VI в. до н.э. в Китае было известно, что некоторые руды обладают способностью притягиваться друг к другу и притягивать железные предметы. Куски таких руд были найдены возле города Магнесии в Малой Азии, поэтому они получили название магнитов.

Посредством чего взаимодействуют магнит и железные предметы? Вспомним, почему притягиваются наэлектризованные тела? Потому что около электрического заряда образуется своеобразная форма материи — электрическое поле. Вокруг магнита существует подобная форма материи, но имеет другую природу происхождения (ведь руда электрически нейтральна), ее называют магнитным полем.

Для изучения магнитного поля используют прямой или подковообразный магниты. Определенные места магнита обладают наибольшим притягивающим действием, их называют полюсами (северный и южный). Разноименные магнитные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются.

Для силовой характеристики магнитного поля используют вектор индукции магнитного поля B. Магнитное поле графически изображают при помощи силовых линий (линии магнитной индукции). Линии являются замкнутыми, не имеют ни начала, ни конца. Место, из которого выходят магнитные линии — северный полюс (North), входят магнитные линии в южный полюс (South).

Магнитное поле можно сделать «видимым» с помощью железных опилок.

Магнитное поле проводника с током

А теперь о том, что обнаружили Ханс Кристиан Эрстед и Андре Мари Ампер в 1820 г. Оказывается, магнитное поле существует не только вокруг магнита, но и любого проводника с током. Любой провод, например, шнур от лампы, по которому протекает электрический ток, является магнитом! Провод с током взаимодействует с магнитом (попробуйте поднести к нему компас), два провода с током взаимодействуют друг с другом.

Силовые линии магнитного поля прямого тока — это окружности вокруг проводника.

Направление вектора магнитной индукции

Направление магнитного поля в данной точке можно определить как направление, которое указывает северный полюс стрелки компаса, помещенного в эту точку.

Направление линий магнитной индукции зависит от направления тока в проводнике.

Определяется направление вектора индукции по правилу буравчика или правилу правой руки.

Вектор магнитной индукции

Это векторная величина, характеризующая силовое действие поля.

Индукция магнитного поля бесконечного прямолинейного проводника с током на расстоянии r от него:

Индукция магнитного поля в центре тонкого кругового витка радиуса r:

Индукция магнитного поля соленоида (катушка, витки которой последовательно обходятся током в одном направлении):

Принцип суперпозиции

Если магнитное поле в данной точке пространства создается несколькими источниками поля, то магнитная индукция — векторная сумма индукций каждого из полей в отдельности

Земля является не только большим отрицательным зарядом и источником электрического поля, но в то же время магнитное поле нашей планеты подобно полю прямого магнита гигантских размеров.

Географический юг находится недалеко от магнитного севера, а географический север приближен к магнитному югу. Если компас разместить в магнитном поле Земли, то его северная стрелка ориентируется вдоль линий магнитной индукции в направлении южного магнитного полюса, то есть укажет нам, где располагается географический север.

Характерные элементы земного магнетизма весьма медленно изменяются с течением времени — вековые изменения. Однако время от времени происходят магнитные бури, когда в течение нескольких часов магнитное поле Земли сильно искажается, а затем постепенно возвращается к прежним значениям. Такое резкое изменение влияет на самочувствие людей.

Магнитное поле Земли является «щитом», прикрывающего нашу планету от частиц, проникающих из космоса («солнечного ветра»). Вблизи магнитных полюсов потоки частиц подходят гораздо ближе к поверхности Земли. При мощных солнечных вспышках магнитосфера деформируется, и эти частицы могут переходить в верхние слои атмосферы, где сталкиваются с молекулами газа, образуются полярные сияния.

Частицы диоксида железа на магнитной пленке хорошо намагничиваются в процессе записи.

Поезда на магнитной подушке скользят над поверхностью совершенно без трения. Поезд способен развивать скорость до 650 км/ч.

Работа головного мозга, пульсация сердца сопровождается электрическими импульсами. При этом в органах возникает слабое магнитное поле.

Магнитное поле земли и здоровье человека

Сейфулла Р.Д. 
М.: ООО «Самполиграфист», 2013. 120 с.

Магнитное поле Земли в первом приближении представляет собой диполь, полюса которого располагаются рядом с полюсами планеты. Магнитное поле – разновидность электромагнитного поля, создаваемого движущимися электрическими зарядами или токами и оказывающая силовое воздействие на движущиеся заряды или токи. Поле определяет магнитосферу, которая отклоняет частицы солнечного ветра. Они накапливаются в радиационных поясах – двух концентрических областях в форме экватора вокруг Земли. Около магнитных поясов эти частицы могут «высыпаться» в атмосферу и приводить к появлению полярных сияний. Нашу планету окружает магнитное поле, которое существует с момента её формирования. Всё, что находится на Земле подвержено действию невидимых силовых линий этого поля. Именно это обстоятельство заинтересовало нас в большей степени, так как структура и функция Земли, а также и человеческого организма тесным образом связана с наличием электрических зарядов, которые определяют все процессы, связанные с жизнедеятельностью всех организмов, находящихся на её поверхности, в воде, в почве, в воздухе. Земля обладает электрическим и магнитным полем. Вся планета имеет отрицательный заряд, а ионосфера положительный. Линии напряженности электрического поля направлены сверху (от ионосферы) вниз (к Земле). Напряженность поля порядка Е = 120 – 130 в/м. Проведя несложные вычисления был сделан вывод, что в электромагнитном поле Земли заключена колоссальная энергия. Проблема получения энергии из магнитного поля Земли весьма актуальна для человечества. Такой приёмник — генератор был сделан ещё в 1889 году Николой Тесла, но правительство США запретило разглашать эту тайну по коммерческим соображениям. В теле человека имеется своё силовое поле, вследствие протекания крови по сосудам. В здоровом теле человека и в нормальных атмосферных условиях имеется полное соответствие и взаимодействие внешнего и внутреннего магнитных полей. Кроме того, существует магнитное поле Солнца, космических галактик и Земли, которые оказывают своё действие на поведение человека и животных (перелётных птиц, рыб, членистоногих, насекомых), которые безошибочно определяют направления движения на тысячи километров.

Оказалось, что изменение магнитного поля Земли является причиной многих заболеваний, которые лечатся другими способами, что требует особого внимания специалистов и лечащих врачей. Так называемые магнитные бури, в которых принимают участие Солнце, солнечный ветер, а также магнитное поле Земли создают много проблем и являются причиной ненормального поведения человека, в том числе и криминального, а также тяжелейших заболеваний: инсультов мозга, инфарктов миокарда, психических расстройств, ДТП и другого криминального и суицидального поведения, о чем пойдёт речь ниже. Японский врач – исследователь Киочи Накагава обратил внимание в середине ХХ века на то, что дефицит магнитного поля Земли является причиной многочисленных заболеваний, которые он объединил общим названием синдром дефицита магнитного поля Земли . Накагава, а также другие ученые поддержали это открытие и предложили проводить коррекцию магнитного поля при его дефиците, при помощи магнитотерапии, что позволило проводить профилактику и лечение многих заболеваний при помощи компенсации недостающего магнитного поля. Это касается, прежде всего, сердечно-сосудистой системы, которая занимает в настоящее время первое место среди других заболеваний. Дело в том, что каждая молекула в магнитном поле вытягивается и поляризуется. Один её конец становится северным магнитным полюсом, а другой — южным. В таком виде каждая молекула легче вступает в электрохимические реакции и в организме идёт правильный обмен веществ. Резкое усиление магнитного поля при магнитной буре или геомагнитной зоне всегда отрицательно сказывается на самочувствии человека. Однако, отсутствие или ослабление магнитного поля является для организма критической ситуацией. Дополнительным фактором риска является электромагнитный смог (создаваемый компьютерными дисплеями, электробытовыми приборами, TV и другими) уменьшают воздействие на наш организм геомагнитного поля Земли. У вернувшихся из космического полёта космонавтов обнаруживали остеопороз, тяжелую депрессию и другие патологические состояния. Важной составляющей для нормализации физиологических функций является восстановление полярности клеток и активизация работы ферментных систем, а также улучшения кровообращения. Автор в течение 33 лет занимается проблемами спортивной фармакологии со спортсменами высшей квалификации, что требует нестандартных, недопинговых подходов (к подготовке спортсменов экстра — класса) особенно восстановления. Поэтому нас заинтересовала, в своё время, проблема дефицита магнитного поля Земли и соответствующие меры её коррекции для того, чтобы повысить работоспособность физически одарённых спортсменов без применения искусственных стимуляторов. Автор не ставил перед собой задачи процитировать всех авторов, которые занимались проблемами магнитного поля Земли, так как их существует многие тысячи как в нашей стране, так и за рубежом, а попытался продемонстрировать основные тенденции этой проблемы, касающихся здоровья человека.

Издание носит научно-популярный характер. В космосе постоянно работают и накапливают необходимый опыт для межпланетных полётов коллективы отечественных и зарубежных ученых исследователей для перспективы создания постоянно действующих обитаемых станций с человеком и разработки полезных ископаемых.
 



Часть I.
Природа магнитного поля Земли и влияние его на человека

Глава 1. Вселенная и строение солнечной системы
Глава 2. Солнечная система во вселенной
Глава 3. Напряженность магнитного поля Земли
Глава 4. Позитивные свойства магнитного поля Земли
Глава 5. Роль магнитного поля в жизнедеятельности человека
Глава 6. Атмосфера Земли
Глава 7. Влияние магнитных бурь на организм человека

Часть II.
Электрические и магнитные свойства при передаче нервного импульса

Глава 8. Поляризация мембраны живой клетке
Глава 9. Живые ткани как источник энергетических потенциалов
Глава 10. Синдром дефицита магнитного поля Земли
Глава 11. Коррекция магнитного поля спортсменов при помощи магнитотерапии
Глава 12. Естественный баланс дефицита магнитного поля Земли
Глава 13. Влияние магнитного поля Земли на космонавтов
Глава 14. Биоэлектрические явления (при эпилепсии) в процессах передачи информации в организме
Глава 15. Патофизиологические причины эпилепсии
Глава 16. Межнейронные связи при передаче информации в организме 
Глава 17. Необходимые условия для нормальной работы ЦНС
Глава 18. Профилактическое действие магнитотерапии при дефиците магнитного поля
Глава 19. О пользе магнитов при дефиците магнитного поля Земли
Глава 20. Перспективы развития цивилизаций


Магнитные поля и линии магнитного поля

Цель обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определение магнитного поля и описание силовых линий различных магнитных полей.

Говорят, что в детстве Эйнштейн был очарован компасом, возможно, размышляя о том, как стрелка ощущала силу без прямого физического контакта. Его способность глубоко и ясно мыслить о действиях на расстоянии, особенно о гравитационных, электрических и магнитных силах, позже позволила ему создать свою революционную теорию относительности.Поскольку магнитные силы действуют на расстоянии, мы определяем магнитное поле для представления магнитных сил. Графическое представление линий магнитного поля очень полезно для визуализации силы и направления магнитного поля. Как показано на Фиг.1, направление линий магнитного поля определяется как направление, в котором указывает северный конец стрелки компаса. Магнитное поле традиционно называют B -field .

Рис. 1. Линии магнитного поля определяют направление, которое указывает маленький компас при размещении в определенном месте. (a) Если для отображения магнитного поля вокруг стержневого магнита используются небольшие компасы, они будут указывать в показанных направлениях: от северного полюса магнита к южному полюсу магнита. (Напомним, что северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным полюсом с точки зрения определения полюсов стержневого магнита.) (B) Соединение стрелок дает непрерывные линии магнитного поля.Сила поля пропорциональна близости (или плотности) линий. (c) Если бы можно было исследовать внутреннюю часть магнита, было бы обнаружено, что силовые линии образуют непрерывные замкнутые контуры.

Маленькие компасы, используемые для проверки магнитного поля, его не побеспокоят. (Это аналогично тому, как мы тестировали электрические поля с помощью небольшого пробного заряда. В обоих случаях поля представляют только объект, создающий их, а не тестирующий их зонд.) На рисунке 2 показано, как магнитное поле появляется для токовой петли и длинный прямой провод, который можно исследовать с помощью небольшого компаса.Небольшой компас, помещенный в эти поля, выровняется параллельно линии поля в своем местоположении, а его северный полюс будет указывать в направлении B . Обратите внимание на символы, используемые для ввода и вывода из бумаги.

Рис. 2. Маленькие компасы можно использовать для картирования полей, показанных здесь. (а) Магнитное поле круговой токовой петли похоже на магнитное поле стержневого магнита. (б) Длинный и прямой провод создает поле с силовыми линиями магнитного поля, образующими кольцевые петли. (c) Когда проволока находится в плоскости бумаги, поле перпендикулярно бумаге.Обратите внимание, что символы, используемые для поля, указывающего внутрь (например, хвоста стрелки), и поля, указывающего наружу (например, наконечника стрелки).

Установление соединений: концепция поля

Поле — это способ отображения сил, окружающих любой объект, которые могут воздействовать на другой объект на расстоянии без видимой физической связи. Поле представляет объект, его генерирующий. Гравитационные поля отображают гравитационные силы, электрические поля отображают электрические силы, а магнитные поля отображают магнитные силы.

Обширные исследования магнитных полей выявили ряд жестких правил. Мы используем линии магнитного поля для представления поля (линии — это графический инструмент, а не физическая сущность сами по себе). Свойства силовых линий магнитного поля можно описать следующими правилами:

  1. Направление магнитного поля касается силовой линии в любой точке пространства. Маленький компас укажет направление линии поля.
  2. Сила поля пропорциональна близости линий.Она точно пропорциональна количеству линий на единицу площади, перпендикулярной линиям (называемой плотностью площади).
  3. Силовые линии магнитного поля никогда не могут пересекаться, а это означает, что поле уникально в любой точке пространства.
  4. Линии магнитного поля непрерывны, образуют замкнутые контуры без начала и конца. Они идут от северного полюса к южному.

Последнее свойство связано с тем, что северный и южный полюса не могут быть разделены. Это явное отличие от силовых линий электрического поля, которые начинаются и заканчиваются положительными и отрицательными зарядами.Если бы магнитные монополи существовали, то силовые линии магнитного поля начинались бы и заканчивались на них.

Сводка раздела

  • Магнитные поля могут быть графически представлены силовыми линиями магнитного поля, свойства которых следующие:
    • Поле касается линии магнитного поля.
    • Напряженность поля пропорциональна линейной плотности.
    • Линии поля не могут пересекаться.
    • Полевые линии представляют собой непрерывные петли.

Концептуальные вопросы

  1. Объясните, почему магнитное поле не может быть уникальным (то есть не иметь единственного значения) в точке пространства, где силовые линии магнитного поля могут пересекаться.(Учитывайте направление поля в такой точке.)
  2. Перечислите сходства силовых линий магнитного и электрического поля. Например, направление поля касается линии в любой точке пространства. Также укажите, чем они отличаются. Например, электрическая сила параллельна силовым линиям электрического поля, тогда как магнитная сила, действующая на движущиеся заряды, перпендикулярна силовым линиям магнитного поля.
  3. Заметив, что силовые линии магнитного поля стержневого магнита напоминают силовые линии пары равных и противоположных зарядов, ожидаете ли вы, что магнитное поле будет быстро уменьшаться в силе с удалением от магнита? Это согласуется с вашим опытом работы с магнитами?
  4. Магнитное поле Земли параллельно земле во всех местах? Если нет, то где она параллельна поверхности? Его сила одинакова во всех местах? Если нет, то где оно больше всего?

Глоссарий

Магнитное поле:
представление магнитных сил
B — поле:
другой термин для обозначения магнитного поля
силовые линии магнитного поля:
графическое изображение силы и направления магнитного поля
направление силовых линий магнитного поля:
направление, на которое указывает северный конец стрелки компаса

магнетизм | Национальное географическое общество

Магнетизм — это сила, проявляемая магнитами, когда они притягиваются или отталкиваются друг от друга.Магнетизм вызывается движением электрических зарядов.

Каждое вещество состоит из крошечных единиц, называемых атомами. В каждом атоме есть электроны, частицы, несущие электрические заряды. Вращаясь, как волчки, электроны вращаются вокруг ядра или остова атома. Их движение генерирует электрический ток и заставляет каждый электрон действовать как микроскопический магнит.

В большинстве веществ равное количество электронов вращается в противоположных направлениях, что нейтрализует их магнетизм. Вот почему такие материалы, как ткань или бумага, считаются слабомагнитными.В таких веществах, как железо, кобальт и никель, большинство электронов вращаются в одном направлении. Это делает атомы в этих веществах сильно магнитными, но они еще не магниты.

Чтобы стать намагниченным, другое сильно магнитное вещество должно войти в магнитное поле существующего магнита. Магнитное поле — это область вокруг магнита, обладающая магнитной силой.

Все магниты имеют северный и южный полюса. Противоположные полюса притягиваются друг к другу, а одни и те же полюса отталкиваются.Когда вы протираете кусок железа по магниту, северные полюса атомов в железе выстраиваются в одном направлении. Сила, создаваемая выровненными атомами, создает магнитное поле. Железка стала магнитом.

Некоторые вещества могут намагничиваться электрическим током. Когда электричество проходит через катушку с проволокой, создается магнитное поле. Однако поле вокруг катушки исчезнет, ​​как только отключится электрический ток.

Геомагнитные полюса

Земля — ​​это магнит.Ученые не до конца понимают, почему, но они думают, что движение расплавленного металла во внешнем ядре Земли порождает электрические токи. Токи создают магнитное поле с невидимыми силовыми линиями, протекающими между магнитными полюсами Земли.

Геомагнитные полюса не совпадают с Северным и Южным полюсами. Магнитные полюса Земли часто перемещаются из-за активности далеко под поверхностью Земли. Смещение геомагнитных полюсов фиксируется в породах, которые образуются, когда расплавленный материал, называемый магмой, проникает сквозь земную кору и изливается в виде лавы.Когда лава остывает и превращается в твердую породу, сильно магнитные частицы внутри породы намагничиваются магнитным полем Земли. Частицы выстраиваются вдоль силовых линий в поле Земли. Таким образом, камни фиксируют положение геомагнитных полюсов Земли в то время.

Как ни странно, магнитные записи горных пород, образовавшихся в одно и то же время, похоже, указывают на разные местоположения полюсов. Согласно теории тектоники плит, скальные плиты, составляющие твердую оболочку Земли, постоянно перемещаются.Таким образом, плиты, на которых застывала порода, переместились с тех пор, как породы зафиксировали положение геомагнитных полюсов. Эти магнитные записи также показывают, что геомагнитные полюса менялись на противоположный вид — сотни раз с момента образования Земли.

Магнитное поле Земли не движется быстро и часто не меняется. Следовательно, это может быть полезным инструментом, помогающим людям сориентироваться. Сотни лет люди использовали магнитные компасы для навигации по магнитному полю Земли.Магнитная стрелка компаса совпадает с магнитными полюсами Земли. Северный конец магнита указывает на северный магнитный полюс.

Магнитное поле Земли доминирует в области, называемой магнитосферой, которая охватывает планету и ее атмосферу. Солнечный ветер, заряженные частицы от Солнца, прижимает магнитосферу к Земле со стороны, обращенной к Солнцу, и растягивает ее в форме капли на теневой стороне.

Магнитосфера защищает Землю от большинства частиц, но некоторые из них просачиваются сквозь нее и попадают в ловушку.Когда частицы солнечного ветра сталкиваются с атомами газа в верхних слоях атмосферы вокруг геомагнитных полюсов, они создают световые эффекты, называемые полярными сияниями. Эти полярные сияния появляются над такими местами, как Аляска, Канада и Скандинавия, где их иногда называют «Северным сиянием». «Южное сияние» можно увидеть в Антарктиде и Новой Зеландии.

20.1 Магнитные поля, силовые линии и сила — физика

Цели обучения раздела

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Обобщите свойства магнитов и опишите, как некоторые немагнитные материалы могут намагничиваться
  • Описывать и интерпретировать рисунки магнитных полей вокруг постоянных магнитов и токоведущих проводов
  • Вычислить величину и направление магнитной силы в магнитном поле и силы, действующей на токоведущий провод в магнитном поле

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:

  • (5) Студент знает природу сил в физическом мире.Ожидается, что студент:
    • (G) исследует и описывает взаимосвязь между электрическими и магнитными полями в таких приложениях, как генераторы, двигатели и трансформаторы.

Кроме того, лабораторное руководство по физике для средней школы рассматривает содержание этого раздела лаборатории под названием «Магнетизм», а также следующие стандарты:

  • (5) Научные концепции. Студент знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
    • (ГРАММ) исследовать и описывать взаимосвязь между электрическими и магнитными полями в таких приложениях, как генераторы, двигатели и трансформаторы.

Раздел Основные термины

Магниты и намагничивание

Люди знали о магнитах и ​​магнетизме тысячи лет.Самые ранние записи относятся к древним временам, особенно в области Малой Азии под названием Магнезия — название этого региона является источником таких слов, как магнит . Магнитные породы, найденные в Магнезии, которая сейчас является частью западной Турции, вызвали интерес в древние времена. Когда люди впервые обнаружили магнитные породы, они, вероятно, обнаружили, что некоторые части этих пород притягивают куски железа или других магнитных пород сильнее, чем другие части. Эти области называются полюсами магнита.Магнитный полюс — это часть магнита, которая оказывает наибольшую силу на другие магниты или магнитный материал, например, железо. Например, полюса стержневого магнита, показанного на рисунке 20.2, являются местом сосредоточения скрепок.

Рис. 20.2 Стержневой магнит со скрепками, притянутыми к двум полюсам.

Если стержневой магнит подвешен так, что он свободно вращается, один полюс магнита всегда будет поворачиваться на север, а противоположный полюс — на юг. Это открытие привело к созданию компаса, который представляет собой просто небольшой удлиненный магнит, установленный так, чтобы он мог свободно вращаться.Пример компаса показан на рисунке 20.3. Полюс магнита, ориентированный на север, называется северным полюсом, а противоположный полюс магнита — южным.

Рис. 20.3 Компас — это удлиненный магнит, установленный в устройстве, которое позволяет магниту свободно вращаться.

Открытие того, что один полюс магнита ориентирован на север, а другой — на юг, позволило людям идентифицировать северный и южный полюса любого магнита. Затем было замечено, что северные полюса двух разных магнитов отталкиваются друг от друга, как и южные полюса.И наоборот, северный полюс одного магнита притягивает южный полюс других магнитов. Эта ситуация аналогична ситуации с электрическим зарядом, когда одинаковые заряды отталкиваются, а разные — притягиваются. В магнитах мы просто заменяем заряд на полюс и : полюса отталкиваются, а полюса — притягиваются. Это показано на рисунке 20.4, на котором показано, как сила между магнитами зависит от их взаимной ориентации.

Рис. 20.4. В зависимости от их взаимной ориентации полюса магнита будут притягиваться друг к другу или отталкиваться.

Еще раз рассмотрим тот факт, что полюс магнита, направленный на север, называется северным полюсом магнита. Если противоположные полюса притягиваются, то магнитный полюс Земли, который находится близко к географическому Северному полюсу, должен быть магнитным южным полюсом! Точно так же магнитный полюс Земли, который находится близко к географическому Южному полюсу, должен быть магнитным северным полюсом. Эта ситуация изображена на рис. 20.5, на котором Земля представлена ​​как содержащая гигантский внутренний стержневой магнит с южным магнитным полюсом на географическом Северном полюсе и наоборот.Если бы мы каким-то образом подвесили гигантский стержневой магнит в космосе около Земли, то северный полюс космического магнита был бы притянут к южному полюсу внутреннего магнита Земли. По сути, именно это происходит со стрелкой компаса: ее северный магнитный полюс притягивается к южному полюсу внутреннего магнита Земли.

Рис. 20.5. Землю можно представить как содержащую гигантский магнит, проходящий через ее ядро. Южный магнитный полюс магнита Земли находится на географическом Северном полюсе, поэтому северный полюс магнитов притягивается к Северному полюсу, так северный полюс магнитов получил свое название.Точно так же южный полюс магнитов притягивается к географическому Южному полюсу Земли.

Что произойдет, если разрезать стержневой магнит пополам? Вы получаете один магнит с двумя южными полюсами и один магнит с двумя северными полюсами? Ответ отрицательный: каждая половина стержневого магнита имеет северный и южный полюсы. Вы даже можете продолжить разрезать каждую часть стержневого магнита пополам, и вы всегда получите новый, меньший магнит с двумя противоположными полюсами. Как показано на рисунке 20.6, вы можете продолжить этот процесс вплоть до атомного масштаба, и вы обнаружите, что даже самые маленькие частицы, которые ведут себя как магниты, имеют два противоположных полюса.Фактически, ни в одном эксперименте не было обнаружено никаких объектов с одним магнитным полюсом, от мельчайших субатомных частиц, таких как электроны, до самых больших объектов во Вселенной, таких как звезды. Поскольку магниты всегда имеют два полюса, их называют магнитными диполями: di означает два . Ниже мы увидим, что магнитные диполи обладают свойствами, аналогичными электрическим диполям.

Рис. 20.6. Все магниты имеют два противоположных полюса, от самых маленьких, таких как субатомные частицы, до самых больших, таких как звезды.

Watch Physics

Введение в магнетизм

Это видео представляет интересное введение в магнетизм и обсуждает, в частности, как электроны вокруг своих атомов вносят вклад в наблюдаемые нами магнитные эффекты.

Контроль захвата

К какому магнитному полюсу Земли притягивается северный полюс стрелки компаса?

  1. Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Северного полюса Земли.
  2. Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Северного полюса Земли.
  3. Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Южного полюса Земли.
  4. Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Южного полюса Земли.

Только определенные материалы, такие как железо, кобальт, никель и гадолиний, обладают сильными магнитными эффектами.Такие материалы называются ферромагнетиками, от латинского слова ferrum , обозначающего железо. Другие материалы обладают слабыми магнитными эффектами, которые можно обнаружить только с помощью чувствительных инструментов. Ферромагнитные материалы не только сильно реагируют на магниты — так, как железо притягивается к магнитам, — но они также могут намагничиваться сами, то есть их можно вызвать намагничиванием или превратить в постоянные магниты (рис. 20.7). Постоянный магнит — это просто материал, который сохраняет свои магнитные свойства в течение длительного времени даже при воздействии размагничивающих воздействий.

Рисунок 20.7 Немагниченный кусок железа помещается между двумя магнитами, нагревается, а затем охлаждается, или просто постукивается в холодном состоянии. Утюг становится постоянным магнитом с выровненными полюсами, как показано: его южный полюс примыкает к северному полюсу исходного магнита, а его северный полюс примыкает к южному полюсу исходного магнита. Обратите внимание, что силы притяжения создаются между центральным магнитом и внешними магнитами.

Когда магнит приближается к ранее не намагниченному ферромагнитному материалу, он вызывает локальное намагничивание материала с противоположными полюсами, расположенными ближе всего, как показано на правой стороне рисунка 20.7. Это вызывает силу притяжения, поэтому немагнитное железо притягивается к магниту.

То, что происходит в микроскопическом масштабе, показано на Рисунке 7 (а). Области внутри материала, называемые доменами, действуют как маленькие стержневые магниты. Внутри доменов выровнены магнитные полюса отдельных атомов. Каждый атом действует как крошечный стержневой магнит. В немагнитном ферромагнитном объекте домены имеют небольшие размеры и ориентированы случайным образом. В ответ на внешнее магнитное поле домены могут вырасти до миллиметра, выравниваясь, как показано на рисунке 7 (b).Это индуцированное намагничивание можно сделать постоянным, если материал нагреть, а затем охладить, или просто постучать в присутствии других магнитов.

Рис. 20.8 (a) Немагнитный кусок железа или другого ферромагнитного материала имеет произвольно ориентированные домены. (б) При намагничивании внешним магнитом домены демонстрируют большее выравнивание, и некоторые из них растут за счет других. Отдельные атомы выровнены внутри доменов; каждый атом действует как крошечный стержневой магнит.

И наоборот, постоянный магнит можно размагнитить сильными ударами или нагреванием в отсутствие другого магнита.Повышенное тепловое движение при более высокой температуре может нарушить и изменить ориентацию и размер доменов. Для ферромагнитных материалов существует четко определенная температура, называемая температурой Кюри, выше которой они не могут намагничиваться. Температура Кюри для железа составляет 1043 К (770 ° C ° C), что намного выше комнатной температуры. Есть несколько элементов и сплавов, которые имеют температуру Кюри намного ниже комнатной температуры и являются ферромагнитными только ниже этих температур.

Snap Lab

Магниты на холодильник

Мы знаем, что подобные магнитные полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются. Посмотрим, сможете ли вы показать это на примере двух магнитов на холодильник. Прилипнут ли магниты, если их перевернуть? Почему они вообще прилепляются к дверце холодильника? Что вы можете сказать о магнитных свойствах дверцы холодильника возле магнита? Магниты на холодильник прилипают к металлическим или пластиковым ложкам? Прилипают ли они ко всем типам металла?

Подставка для учителя
Подставка для учителя

Если держать магнит рядом с немагнитным ферромагнитным материалом, он магнитно поляризует ферромагнитный материал, заставляя атомные магнитные диполи ориентироваться по направлению к внешнему магниту.Это похоже на электрическую поляризацию. Таким образом, ферромагнитный материал намагничивается в присутствии внешнего магнита, и два магнита притягиваются друг к другу. Чтобы магнит прилипал к дверце холодильника, дверца должна содержать какой-то ферромагнитный материал. Магниты будут прилипать к ложкам из железа, например к ложкам с железом, но не к ложкам из цветных металлов, таким как ложки из алюминия или серебра, и не будут прилипать к магниту. Магниты также не будут прилипать к пластиковым ложкам.

Контроль захвата

У вас есть один магнит с обозначенными северным и южным полюсами.Как вы можете использовать этот магнит для определения северного и южного полюсов других магнитов?

  1. Если северный полюс известного магнита отталкивается полюсом неизвестного магнита при приближении их ближе, этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.
  2. Если северный полюс известного магнита притягивается к полюсу неизвестного магнита при приближении их, этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.

Магнитные поля

Таким образом, мы увидели, что силы могут применяться между магнитами, а также между магнитами и ферромагнитными материалами без какого-либо контакта между объектами.Это напоминает электрические силы, которые действуют на расстоянии. Электрические силы описываются с использованием концепции электрического поля, которое представляет собой силовое поле вокруг электрических зарядов, которое описывает силу, действующую на любой другой заряд, помещенный в это поле. Точно так же магнит создает вокруг себя магнитное поле, которое описывает силу, действующую на другие магниты, помещенные в это поле. Как и в случае с электрическими полями, графическое представление силовых линий магнитного поля очень полезно для визуализации силы и направления магнитного поля.

Как показано на рисунке 20.9, направление силовых линий магнитного поля определяется как направление, в котором указывает северный полюс стрелки компаса. Если вы поместите компас рядом с северным полюсом магнита, северный полюс стрелки компаса будет отталкиваться и указывать в сторону от магнита. Таким образом, силовые линии магнитного поля направлены от северного полюса магнита к его южному полюсу.

Рисунок 20.9 Черные линии представляют силовые линии магнитного поля стержневого магнита.Линии поля указывают в направлении, в котором будет указывать северный полюс небольшого компаса, как показано слева. Силовые линии магнитного поля никогда не прекращаются, поэтому силовые линии фактически проникают в магнит, образуя полные петли, как показано справа.

Силовые линии магнитного поля можно нанести на карту с помощью небольшого компаса. Компас перемещается от точки к точке вокруг магнита, и в каждой точке проводится короткая линия в направлении стрелки, как показано на рисунке 20.10. Соединение линий вместе показывает путь линии магнитного поля.Другой способ визуализировать силовые линии магнитного поля — это рассыпать железные опилки вокруг магнита. Опилки будут ориентироваться вдоль силовых линий магнитного поля, образуя узор, подобный изображенному справа на рис. 20.10.

Виртуальная физика

Использование компаса для построения карты магнитного поля

Эта симуляция представляет вам стержневой магнит и небольшой компас. Начните с перетаскивания компаса вокруг стержневого магнита, чтобы увидеть, в каком направлении направлено магнитное поле.Обратите внимание, что сила магнитного поля представлена ​​яркостью значков магнитного поля в сетке вокруг магнита. Используйте измеритель магнитного поля, чтобы проверить напряженность поля в нескольких точках вокруг стержневого магнита. Вы также можете изменить полярность магнита или поместить Землю на изображение, чтобы увидеть, как компас ориентируется.

Контроль захвата

С помощью ползунка в правом верхнем углу окна моделирования установите напряженность магнитного поля на 100 процентов.Теперь используйте измеритель магнитного поля, чтобы ответить на следующий вопрос: где магнитное поле самое сильное, а где самое слабое возле магнита? Не забудьте проверить стержневой магнит изнутри.

  1. Магнитное поле самое сильное в центре и самое слабое между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом. Силовые линии магнитного поля наиболее плотные в центре и наименее плотные между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом.
  2. Магнитное поле самое сильное в центре и самое слабое между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом.Линии магнитного поля наименее плотны в центре и наиболее плотны между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом.
  3. Магнитное поле самое слабое в центре и самое сильное между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом. Силовые линии магнитного поля наиболее плотные в центре и наименее плотные между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом.
  4. Магнитное поле самое слабое в центре и самое сильное между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом, а силовые линии магнитного поля наименее плотные в центре и самые плотные между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом.

Рисунок 20.10 Силовые линии магнитного поля можно нарисовать, перемещая небольшой компас от точки к точке вокруг магнита. В каждой точке проведите короткую линию в направлении стрелки компаса. Соединение точек вместе показывает путь линий магнитного поля. Другой способ визуализировать силовые линии магнитного поля — это рассыпать железные опилки вокруг магнита, как показано справа.

Когда два магнита сближаются, силовые линии магнитного поля возмущаются, как это происходит с силовыми линиями электрического поля, когда два электрических заряда сближаются.Соединение двух северных полюсов или двух южных полюсов вызовет отталкивание, и силовые линии магнитного поля будут отклоняться друг от друга. Это показано на рисунке 20.11, где показаны силовые линии магнитного поля, созданные двумя близко расположенными северными полюсами стержневого магнита. Когда противоположные полюса двух магнитов сводятся вместе, силовые линии магнитного поля соединяются и становятся более плотными между полюсами. Эта ситуация показана на рисунке 20.11.

Рис. 20.11 (a) Когда два северных полюса сближаются, силовые линии магнитного поля отталкиваются друг от друга, и два магнита испытывают силу отталкивания.То же самое происходит, если два южных полюса сближаются. (b) Если противоположные полюса сближаются, силовые линии магнитного поля между полюсами становятся более плотными, и магниты испытывают силу притяжения.

Подобно электрическому полю, магнитное поле сильнее там, где линии более плотные. Таким образом, между двумя северными полюсами на рисунке 20.11 магнитное поле очень слабое, потому что плотность магнитного поля почти равна нулю. Компас, помещенный в эту точку, по сути, будет свободно вращаться, если мы не будем учитывать магнитное поле Земли.Напротив, силовые линии магнитного поля между северным и южным полюсами на рисунке 20.11 очень плотные, что указывает на то, что магнитное поле в этой области очень сильное. Компас, помещенный здесь, быстро выровнялся бы с магнитным полем и указывал бы на южный полюс справа.

Поддержка учителей

Поддержка учителей
Предупреждение о неправильном представлении

Плотность силовых линий магнитного поля на рисунке 20.11 указывает величину силы, которая будет приложена к небольшому испытательному магниту, помещенному в это поле.Плотность не указывает силу между двумя магнитами, создающими поле. Величина силы между двумя магнитами одинакова в обоих случаях на рисунке 20.11. Это можно понять, представив, что вы помещаете один из магнитов в поле другого магнита. Эта ситуация симметрична: магнитные поля выглядят одинаково — за исключением направления — для обеих ситуаций, показанных на рисунке 20.11. Поскольку магниты имеют одинаковую силу, они возмущают магнитное поле противоположного магнита, поэтому магнитное поле необходимо исследовать с помощью небольшого магнитного поля, такого как компас.

Обратите внимание, что магниты — не единственное, что создает магнитные поля. В начале девятнадцатого века люди обнаружили, что электрические токи вызывают магнитные эффекты. Первое важное наблюдение было сделано датским ученым Гансом Кристианом Эрстедом (1777–1851), который обнаружил, что стрелка компаса отклоняется проводом с током. Это было первое существенное свидетельство того, что движение электрических зарядов имеет какую-либо связь с магнитами. Электромагнит — это устройство, которое использует электрический ток для создания магнитного поля.Эти временно индуцированные магниты называются электромагнитами. Электромагниты используются во всем: от крана для разборки металлолома, который поднимает сломанные автомобили, до управления пучком ускорителя частиц с окружностью 90 км и магнитов в машинах для медицинской визуализации (см. Рис. 20.12).

Рисунок 20.12 Прибор для магнитно-резонансной томографии (МРТ). В устройстве используется электромагнит с цилиндрической катушкой для создания основного магнитного поля. Пациент идет в тоннель на каталке.(предоставлено Биллом МакЧесни, Flickr)

Магнитное поле, создаваемое электрическим током в длинном прямом проводе, показано на рисунке 20.13. Силовые линии магнитного поля образуют концентрические круги вокруг провода. Направление магнитного поля можно определить с помощью правила правой руки . Это правило проявляется в нескольких местах при изучении электричества и магнетизма. Применительно к прямому токонесущему проводу правило правой руки гласит, что когда большой палец правой руки направлен в направлении тока, магнитное поле будет в том направлении, в котором изгибаются ваши пальцы правой руки, как показано на рисунке 20.13. Если провод очень длинный по сравнению с расстоянием r от провода, сила магнитного поля B будет равна

. B прямой = μ0I2πrB прямой = μ0I2πr

20,1

, где I — ток в проводе в амперах. Единицей измерения магнитного поля в системе СИ является тесла (Тл). Символ μ0μ0 — читается как «мю-ноль» — это константа, называемая «проницаемостью свободного пространства», и задается как

. μ0 = 4π × 10−7T⋅m / A. μ0 = 4π × 10−7T⋅m / A.

20,2

Рисунок 20.13 На этом изображении показано, как использовать правило правой руки для определения направления магнитного поля, создаваемого током, протекающим по прямому проводу. Направьте большой палец правой руки в направлении тока, и магнитное поле будет в том направлении, в котором изгибаются ваши пальцы.

Watch Physics

Магнитное поле, создаваемое электрическим током

В этом видео описывается магнитное поле, создаваемое прямым проводом с током. Он переходит к правилу правой руки для определения направления магнитного поля, а также представляет и обсуждает формулу для силы магнитного поля, создаваемого прямым проводом с током.

Контроль захвата

Длинный прямой провод кладут на столешницу, и электрический ток течет по нему справа налево. Если вы посмотрите на конец провода с левого конца, магнитное поле движется по часовой стрелке или против часовой стрелки?

  1. Если направить большой палец правой руки в направлении, противоположном току, пальцы правой руки будут изгибаться против часовой стрелки, поэтому магнитное поле будет направлено против часовой стрелки.
  2. Если направить большой палец правой руки в направлении, противоположном току, пальцы правой руки будут изгибаться по часовой стрелке, поэтому магнитное поле будет в направлении по часовой стрелке.
  3. Если направить большой палец правой руки в направлении тока, пальцы правой руки будут сгибаться против часовой стрелки, поэтому магнитное поле будет направлено против часовой стрелки.
  4. Если направить большой палец правой руки в направлении тока, пальцы правой руки будут изгибаться по часовой стрелке, поэтому магнитное поле будет направлено по часовой стрелке.

Теперь представьте, что наматывается проволока вокруг цилиндра, после чего цилиндр снят. В результате получается катушка с проволокой, как показано на рисунке 20.14. Это называется соленоидом. Чтобы найти направление магнитного поля, создаваемого соленоидом, примените правило правой руки к нескольким точкам катушки. Вы должны убедиться, что внутри катушки магнитное поле направлено слева направо. Фактически, еще одно применение правила правой руки — это сгибать пальцы правой руки вокруг катушки в направлении, в котором течет ток. Затем ваш большой палец правой руки указывает в направлении магнитного поля внутри катушки: в данном случае слева направо.

Рисунок 20.14 Катушка с проводом, через которую проходит ток, как показано, создает магнитное поле в направлении красной стрелки.

Каждая петля из проволоки создает магнитное поле внутри соленоида. Поскольку силовые линии магнитного поля должны образовывать замкнутые петли, силовые линии замыкают петлю за пределами соленоида. Силовые линии магнитного поля внутри соленоида намного плотнее, чем вне соленоида. Результирующее магнитное поле очень похоже на магнитное поле стержневого магнита, как показано на рисунке 20.15. Напряженность магнитного поля внутри соленоида

. Bsolenoid = μ0NIℓ, Bsolenoid = μ0NIℓ,

20,3

, где N — количество витков в соленоиде, а ℓℓ — длина соленоида.

Рис. 20.15. Железные опилки показывают картину магнитного поля вокруг (а) соленоида и (б) стержневого магнита. Картины полей очень похожи, особенно возле концов соленоида и стержневого магнита.

Виртуальная физика

Электромагниты

Используйте это моделирование для визуализации магнитного поля, созданного соленоидом.Обязательно щелкните вкладку с надписью «Электромагнит». Вы можете пропустить через соленоид переменный или постоянный ток, выбрав соответствующий источник тока. Используйте измеритель поля для измерения силы магнитного поля, а затем измените количество витков в соленоиде, чтобы увидеть, как это влияет на напряженность магнитного поля.

Контроль захвата

Выберите аккумулятор в качестве источника тока и установите количество витков на четыре. С ненулевым током, протекающим через соленоид, измерьте напряженность магнитного поля в точке.Теперь уменьшите количество проволочных петель до двух. Как изменится напряженность магнитного поля в выбранной вами точке?

  1. При уменьшении количества витков с четырех до двух напряженность магнитного поля не изменится.
  2. Напряженность магнитного поля уменьшается до половины от исходного значения, когда количество витков уменьшается с четырех до двух.
  3. Напряженность магнитного поля увеличивается вдвое от исходного значения, когда количество витков уменьшается с четырех до двух.
  4. Напряженность магнитного поля увеличивается в четыре раза от исходного значения при уменьшении количества витков с четырех до двух.

Магнитная сила

Если движущийся электрический заряд, то есть электрический ток, создает магнитное поле, которое может воздействовать на другой магнит, то по третьему закону Ньютона должно быть верно обратное. Другими словами, заряд, движущийся через магнитное поле, созданное другим объектом, должен испытывать силу — и это именно то, что мы находим.В качестве конкретного примера рассмотрим рисунок 20.16, на котором показан заряд q , движущийся со скоростью v → v → через магнитное поле B → B → между полюсами постоянного магнита. Величина F силы, испытываемой этим зарядом, равна

. F = qvBsinθ, F = qvBsinθ,

20,4

где θθ — угол между скоростью заряда и магнитным полем.

Направление силы можно найти с помощью другой версии правила правой руки: сначала мы соединяем хвосты вектора скорости и вектора магнитного поля, как показано на шаге 1 рисунка 20.16. Затем мы сгибаем пальцы правой руки от v → v → к B → B →, как показано в шаге (2) рисунка 20.16. Направление, в котором указывает большой палец правой руки, — это направление силы. Для заряда на рис. 20.16 мы обнаруживаем, что сила направлена ​​внутрь страницы.

Обратите внимание, что множитель sinθsinθ в уравнении F = qvBsinθF = qvBsinθ означает, что к заряду, движущемуся параллельно магнитному полю, приложена нулевая сила, поскольку θ = 0θ = 0 и sin0 = 0sin0 = 0. Максимальная сила, которую может испытывать заряд, — это когда он движется перпендикулярно магнитному полю, потому что θ = 90 ° θ = 90 °. и sin90 ° = 1.sin90 ° = 1.

Рис. 20.16 (а) Протон движется в однородном магнитном поле. (б) Используя правило правой руки, обнаруживается, что сила, действующая на протон, направлена ​​внутрь страницы.

Ссылки на физику

Магнитогидродинамический привод

В романе Тома Клэнси о холодной войне «Охота за Красный Октябрь» Советский Союз построил подводную лодку (см. Рис. 20.17) с магнитогидродинамическим приводом, который был настолько бесшумным, что его невозможно было обнаружить. надводные корабли. Единственная возможная цель создания такой подводной лодки заключалась в том, чтобы дать Советскому Союзу возможность первого удара, потому что эта подводная лодка могла подкрасться к побережью Соединенных Штатов и запустить баллистические ракеты, уничтожая ключевые военные и правительственные объекты, чтобы предотвратить американскую контратаку. .

Рисунок 20.17 Российская подводная лодка с баллистическими ракетами класса «Тайфун», на которой базировалась вымышленная подводная лодка «Красный Октябрь».

Магнитогидродинамический привод должен быть бесшумным, поскольку в нем нет движущихся частей. Вместо этого он использует силу, испытываемую заряженными частицами, движущимися в магнитном поле. Основная идея такого привода изображена на рис. 20.18. Соленая вода течет по каналу, идущему от передней части к задней части подводной лодки. Магнитное поле прикладывается горизонтально к каналу, а напряжение прикладывается к электродам в верхней и нижней части канала, чтобы направить нисходящий электрический ток через воду.Носителями заряда являются положительные ионы натрия и отрицательные ионы хлора соли. Используя правило правой руки, обнаруживается, что сила, действующая на носители заряда, направлена ​​к задней части судна. Ускоренные заряды сталкиваются с молекулами воды и передают свой импульс, создавая струю воды, которая вылетает из задней части канала. По третьему закону Ньютона на сосуд действует сила равной величины, но в противоположном направлении.

Рис. 20.18 Схематическое изображение магнитогидродинамического привода, показывающее водный канал, направление тока, направление магнитного поля и результирующую силу.

К счастью для всех, оказалось, что такая силовая установка не очень практична. Некоторые предварительные расчеты показывают, что для питания подводной лодки потребуются либо чрезвычайно высокие магнитные поля, либо чрезвычайно высокие электрические токи для получения разумной тяги. Кроме того, прототипы магнитогидродинамических приводов показывают, что они совсем не бесшумны. Электролиз, вызванный пропусканием тока через соленую воду, создает пузырьки водорода и кислорода, что делает эту двигательную установку довольно шумной.Система также оставляет след из хлорид-ионов и хлоридов металлов, который можно легко обнаружить, чтобы определить местонахождение подводной лодки. Наконец, ионы хлора чрезвычайно реактивны и очень быстро разъедают металлические детали, такие как электрод или сам водяной канал. Таким образом, Красный Октябрь остается в сфере фантастики, но его физика вполне реальна.

Контроль захвата

Представьте себе лодку, приводимую в движение силой заряженных частиц, движущихся в магнитном поле. Если магнитное поле направлено вниз, в каком направлении должен течь ток заряженных частиц, чтобы получить силу, направленную назад?

  1. Течение должно течь вертикально сверху вниз, если смотреть сзади лодки.
  2. Течение должно течь вертикально снизу вверх, если смотреть сзади лодки.
  3. Течение должно течь горизонтально слева направо, если смотреть сзади лодки.
  4. Течение должно течь горизонтально справа налево, если смотреть сзади лодки.

Вместо одиночного заряда, движущегося в магнитном поле, рассмотрим теперь постоянный ток I , движущийся по прямому проводу.Если мы поместим этот провод в однородное магнитное поле, как показано на рисунке 20.19, какова сила, действующая на провод или, точнее, на электроны в проводе? Электрический ток включает в себя движущиеся заряды. Если заряды q перемещаются на расстояние ℓℓ за время t , то их скорость будет v = ℓ / t.v = / t. Подставляя это в уравнение F = qvBsinθF = qvBsinθ, получаем

F = q (ℓt) Bsinθ = (qt) ℓBsinθ.F = q (ℓt) Bsinθ = (qt) ℓBsinθ.

20,5

Коэффициент q / t в этом уравнении — не что иное, как ток в проводе.Таким образом, используя I = q / tI = q / t, получаем

F = IℓBsinθ (1.4). F = IℓBsinθ (1.4).

20,6

Это уравнение дает силу, действующую на прямой провод с током длиной в магнитном поле с напряженностью B . Угол θθ — это угол между вектором тока и вектором магнитного поля. Обратите внимание, что ℓℓ — это длина провода, находящегося в магнитном поле, для которого θ ≠ 0, θ ≠ 0, как показано на рисунке 20.19.

Направление силы определяется так же, как и для одиночного заряда.Согните пальцы правой руки от вектора I к вектору B , а большой палец правой руки будет указывать в направлении силы, действующей на провод. Для провода, показанного на рис. 20.19, сила направлена ​​внутрь страницы.

Рисунок 20.19 Прямой провод, по которому течет ток I в магнитном поле B . Сила, приложенная к проволоке, направлена ​​внутрь страницы. Длина ℓℓ — это длина провода, равная в магнитном поле.

В этом разделе вы могли заметить симметрию между магнитными и электрическими эффектами.Все эти эффекты подпадают под действие электромагнетизма, который изучает электрические и магнитные явления. Мы видели, что электрические заряды создают электрические поля, а движущиеся электрические заряды создают магнитные поля. Магнитный диполь создает магнитное поле, и, как мы увидим в следующем разделе, движущиеся магнитные диполи создают электрическое поле. Таким образом, электричество и магнетизм — два тесно связанных и симметричных явления.

Рабочий пример

Траектория электрона в магнитном поле

Протон входит в область постоянного магнитного поля, как показано на рисунке 20.20. Магнитное поле выходит из страницы. Если электрон движется со скоростью 3,0 × 106 м / с3,0 × 106 м / с, а напряженность магнитного поля составляет 2,0 Тл, каковы величина и направление силы, действующей на протон?

Рис. 20.20. Протон попадает в область однородного магнитного поля. Магнитное поле исходит из страницы — кружки с точками представляют наконечники векторных стрелок, выходящих из страницы.

Стратегия

Используйте уравнение F = qvBsinθF = qvBsinθ, чтобы найти величину силы, действующей на протон.Угол между векторами магнитного поля и вектором скорости протона составляет 90 ° .90 °. Направление силы можно найти с помощью правила правой руки.

Решение

Заряд протона q = 1.60 · 10−19Cq = 1.60 · 10−19C. Ввод этого значения, заданной скорости и напряженности магнитного поля в уравнение F = qvBsinθF = qvBsinθ дает

F = qvBsinθ = (1,60 × 10−19C) (3,0 × 106 м / с) (2,0T) sin (90 °) = 9,6 × 10−13N. F = qvBsinθ = (1,60 × 10−19C) (3,0 × 106 м / с) (2..

Обсуждение

Это похоже на очень маленькую силу. Однако масса протона составляет 1,67 × 10–27 кг, 1,67 × 10–27 кг, поэтому его ускорение равно a = Fm = 9,6 × 10–13N1,67 × 10–27 кг = 5,7 × 1014 м / с2a = Fm = 9,6. × 10–13N1,67 × 10–27 кг = 5,7 × 1014 м / с2, или примерно в десять тысяч миллиардов раз больше ускорения свободного падения!

Мы обнаружили, что начальное ускорение протона, когда он входит в магнитное поле, направлено вниз в плоскости страницы. Обратите внимание, что по мере ускорения протона его скорость остается перпендикулярной магнитному полю, поэтому величина силы не меняется.Кроме того, из-за правила правой руки направление силы остается перпендикулярным скорости. Эта сила — не что иное, как центростремительная сила: она имеет постоянную величину и всегда перпендикулярна скорости. Таким образом, величина скорости не меняется, и протон совершает круговое движение. Радиус этого круга может быть найден с помощью кинематического соотношения.

F = ma = mv2ra = v2rr = v2a = (3,0 × 106 м / с) 25,7 × 1014 м / с2 = 1,6 см F = ma = mv2ra = v2rr = v2a = (3,0 × 106 м / с) 25.7 × 1014 м / с2 = 1,6 см

20,8

Путь протона в магнитном поле показан на рисунке 20.22.

Рис. 20.22 При перемещении перпендикулярно постоянному магнитному полю заряженная частица будет совершать круговое движение, как показано здесь для протона.

Рабочий пример

Проволока с током в магнитном поле

Теперь предположим, что мы пропустили провод через однородное магнитное поле из предыдущего примера, как показано. Если по проводу проходит ток 1.-направлении, а длина области с магнитным полем 4,0 см, какова сила на проводе?

Стратегия

Используйте уравнение F = IℓBsinθF = IℓBsinθ, чтобы найти величину силы, действующей на провод. Длина провода внутри магнитного поля составляет 4,0 см, а угол между направлением тока и направлением магнитного поля составляет 90 °. Чтобы найти направление силы, используйте правило правой руки, как описано сразу после уравнения F = IℓBsinθ.F = IℓBsinθ.

Решение

Вставьте указанные значения в уравнение F = IℓBsinθF = IℓBsinθ, чтобы найти величину силы

F = IℓBsinθ = (1..-направление. Сила, действующая на провод с током в магнитном поле, является основой всех электродвигателей, как мы увидим в следующих разделах.

Практические задачи

1.

Какова величина силы, действующей на электрон, движущийся со скоростью 1,0 × 106 м / с перпендикулярно магнитному полю 1,0 Тл?

  1. 0,8 × 10 –13 N
  2. 1,6 × 10 –14 N
  3. 0,8 × 10 –14 N
  4. 1,6 × 10 –13 N
2.

Прямой 10-сантиметровый провод на ток 0,40 А ориентирован перпендикулярно магнитному полю. Если сила на проводе 0,022 Н, какова величина магнитного поля?

  1. 1,10 × 10 –2 T
  2. 0,55 × 10 –2 T
  3. 1,10 т
  4. 0,55 т

Проверьте свое понимание

3.

Если два магнита отталкиваются друг от друга, какой можно сделать вывод об их взаимной ориентации?

  1. Либо южный полюс магнита 1 ближе к северному полюсу магнита 2, либо северный полюс магнита 1 ближе к южному полюсу магнита 2.
  2. Либо южные полюса магнита 1 и магнита 2 расположены ближе друг к другу, либо северные полюса магнита 1 и магнита 2 расположены ближе друг к другу.
  3. Дано недостаточно информации, чтобы сделать какие-либо выводы об ориентации магнитов.
4.

Опишите методы размагничивания ферромагнетика.

  1. путем охлаждения, нагрева или погружения в воду
  2. путем нагревания, удара и вращения во внешнем магнитном поле
  3. молотком, нагреванием и протиранием тканью
  4. путем охлаждения, погружения в воду или протирания тканью
5.

Что такое магнитное поле?

  1. Направляющие линии внутри и снаружи магнитного материала, указывающие величину и направление магнитной силы.
  2. Направляющие линии внутри и снаружи магнитного материала, указывающие величину магнитной силы.
  3. Направляющие линии внутри магнитного материала, указывающие величину и направление магнитной силы.
  4. Направляющие линии вне магнитного материала указывают величину и направление магнитной силы.
6.

Какой из следующих рисунков правильный?

8.3 Движение заряженной частицы в магнитном поле — Введение в электричество, магнетизм и электрические схемы

ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

К концу этого раздела вы сможете:
  • Объясните, как заряженная частица во внешнем магнитном поле совершает круговое движение
  • Опишите, как определить радиус кругового движения заряженной частицы в магнитном поле

Заряженная частица испытывает силу при движении через магнитное поле.Что произойдет, если это поле будет однородным при движении заряженной частицы? По какому пути следует частица? В этом разделе мы обсуждаем круговое движение заряженной частицы, а также другое движение, возникающее в результате попадания заряженной частицы в магнитное поле.

Самый простой случай имеет место, когда заряженная частица движется перпендикулярно однородному полю (рис. 8.3.1). Если поле находится в вакууме, магнитное поле является доминирующим фактором, определяющим движение. Поскольку магнитная сила перпендикулярна направлению движения, заряженная частица следует по кривой траектории в магнитном поле.Частица продолжает следовать по этому изогнутому пути, пока не образует полный круг. Другой способ взглянуть на это состоит в том, что магнитная сила всегда перпендикулярна скорости, поэтому она не действует на заряженную частицу. Таким образом, кинетическая энергия и скорость частицы остаются постоянными. Это влияет на направление движения, но не на скорость.

(рисунок 8.3.1)

Рис. 8.3.1. Отрицательно заряженная частица движется в плоскости бумаги в области, где магнитное поле перпендикулярно бумаге (обозначено маленькой буквой s — как хвосты стрелок).Магнитная сила перпендикулярна скорости, поэтому скорость изменяется по направлению, но не по величине. Результат — равномерное круговое движение. (Обратите внимание, что поскольку заряд отрицательный, сила противоположна по направлению предсказанию правила правой руки.)

В этой ситуации магнитная сила обеспечивает центростремительную силу. Учитывая, что скорость перпендикулярна магнитному полю, величина магнитной силы уменьшается до. Поскольку магнитная сила обеспечивает центростремительную силу, мы имеем

(8.3.1)

Решение для урожайности

(8.3.2)

Здесь — радиус кривизны пути заряженной частицы с массой и зарядом, движущейся со скоростью, перпендикулярной напряженности магнитного поля. Время прохождения заряженной частицы по круговой траектории определяется как период, равный пройденному расстоянию (окружности), деленному на скорость. На основании этого и 8.3.1 мы можем получить период движения как

.

(8.3.3)

Если скорость не перпендикулярна магнитному полю, то мы можем сравнить каждую составляющую скорости отдельно с магнитным полем. Компонент скорости, перпендикулярный магнитному полю, создает магнитную силу, перпендикулярную как этой скорости, так и полю:

(8.3.4)

где — угол между и. Компонент, параллельный магнитному полю, создает постоянное движение в том же направлении, что и магнитное поле, также показанное на 8.3.4. Параллельное движение определяет шаг спирали, то есть расстояние между соседними витками. Это расстояние равно параллельной составляющей скорости, умноженной на период:

(8.3.5)

В результате получается спиральное движение , как показано на следующем рисунке.

(рисунок 8.3.2)

Рис. 8.3.2. Заряженная частица, движущаяся со скоростью, не совпадающей с направлением магнитного поля. Компонента скорости, перпендикулярная магнитному полю, создает круговое движение, тогда как составляющая скорости, параллельная полю, перемещает частицу по прямой.Шаг — это расстояние по горизонтали между двумя последовательными кругами. Результирующее движение — спиральное.

Пока заряженная частица движется по спирали, она может попасть в область, где магнитное поле неоднородно. В частности, предположим, что частица перемещается из области сильного магнитного поля в область более слабого поля, а затем обратно в область более сильного поля. Частица может отразиться до того, как войдет в область с более сильным магнитным полем. Это похоже на волну на струне, которая движется от очень легкой тонкой струны к твердой стене и отражается назад.Если отражение происходит с обоих концов, частица оказывается в так называемой магнитной бутылке.

Захваченные частицы в магнитных полях обнаружены в радиационных поясах Ван Аллена вокруг Земли, которые являются частью магнитного поля Земли. Эти пояса были обнаружены Джеймсом Ван Алленом при попытке измерить поток космических лучей на Земле (частицы высокой энергии, приходящие извне Солнечной системы), чтобы увидеть, похоже ли это на поток, измеренный на Земле.Ван Аллен обнаружил, что из-за вклада частиц, захваченных магнитным полем Земли, поток на Земле был намного выше, чем в космическом пространстве. Aurorae , как и знаменитое полярное сияние (северное сияние) в Северном полушарии (рис. 8.3.3), представляют собой прекрасные проявления света, излучаемого при рекомбинации ионов с электронами, входящими в атмосферу, по мере их движения вдоль силовых линий магнитного поля. (Ионы — это в основном атомы кислорода и азота, которые первоначально ионизируются в результате столкновений с энергичными частицами в атмосфере Земли.) Полярные сияния наблюдались также на других планетах, таких как Юпитер и Сатурн.

(рисунок 8.3.3)

Рис. 8.3.3. (a) Радиационные пояса Ван Аллена вокруг Земли захватывают ионы, образованные космическими лучами, падающими на атмосферу Земли. (b) Великолепное зрелище северного сияния, или северного сияния, сияет в северном небе над Беар-Лейк недалеко от базы ВВС Эйлсон, Аляска. Этот свет, сформированный магнитным полем Земли, создается светящимися молекулами и ионами кислорода и азота.(кредит b: модификация работы старшего летчика ВВС США Джошуа Стрэнга)

ПРИМЕР 8.3.1


Дефлектор луча

Группа исследователей занимается изучением короткоживущих радиоактивных изотопов. Им необходимо разработать способ транспортировки альфа-частиц (ядер гелия) от места их создания к месту, где они столкнутся с другим материалом, образуя изотоп. Луч альфа-частиц изгибается через область градусов с однородным магнитным полем (рис. 8.3.4). а) В каком направлении следует приложить магнитное поле? (б) Сколько времени требуется альфа-частицам, чтобы пересечь область однородного магнитного поля?

(рисунок 8.3,4)

Рисунок 8.3.4. Вид сверху на установку дефлектора балки.
Стратегия

а. Направление магнитного поля показано RHR-1. Ваши пальцы указывают в направлении, а большой палец должен указывать в направлении силы, влево. Следовательно, поскольку альфа-частицы заряжены положительно, магнитное поле должно указывать вниз.

г. Период движения альфа-частицы по окружности

.

(8.3.6)

Поскольку частица движется только по четверти круга, мы можем умножить этот период, чтобы найти время, необходимое для обхода этого пути.
Решение

а. Начнем с того, что сфокусируемся на альфа-частице, входящей в поле в нижней части изображения. Сначала покажите пальцем вверх по странице. Чтобы ваша ладонь открывалась влево, куда указывает центростремительная сила (и, следовательно, магнитная сила), ваши пальцы должны менять ориентацию, пока они не будут указывать на страницу. Это направление приложенного магнитного поля.

г. Период движения заряженной частицы по окружности рассчитывается с использованием заданных в задаче массы, заряда и магнитного поля.Получается

.

Однако для данной задачи альфа-частица обходит четверть круга, поэтому время, необходимое для этого, составит

.

Значение

Это время может быть достаточно быстрым, чтобы добраться до материала, который мы хотели бы бомбардировать, в зависимости от того, насколько короткоживущий радиоактивный изотоп и продолжает испускать альфа-частицы. Если бы мы могли увеличить магнитное поле, приложенное к области, это сократило бы время еще больше.Путь, по которому частицы должны пройти, можно было бы сократить, но это может оказаться неэкономичным, учитывая экспериментальную установку.

ПРОВЕРЬТЕ ПОНИМАНИЕ 8.2


Однородное магнитное поле магнитуды направлено горизонтально с запада на восток. а) Какова магнитная сила на протоне в момент, когда он движется вертикально вниз в поле со скоростью? б) Сравните эту силу с весом протона.

ПРИМЕР 8.3.2


Движение по спирали в магнитном поле

Протон входит в однородное магнитное поле со скоростью.Под каким углом должно быть магнитное поле относительно скорости, чтобы шаг результирующего спирального движения был равен радиусу спирали?

Стратегия

Шаг движения относится к параллельной скорости, умноженной на период кругового движения, тогда как радиус относится к перпендикулярной составляющей скорости. После установки равных друг другу радиуса и шага найдите угол между магнитным полем и скоростью или.

Решение

Шаг задается уравнением 8.3.5, период определяется уравнением 8.3.3, а радиус кругового движения задается уравнением 8.3.2. Обратите внимание, что скорость в уравнении радиуса связана только с перпендикулярной скоростью, при которой происходит круговое движение. Поэтому мы подставляем синусоидальную составляющую общей скорости в уравнение радиуса, чтобы приравнять шаг и радиус:

Значение

Если бы этот угол был, то имела бы только параллельная скорость и спираль не образовывалась бы, потому что не было бы кругового движения в перпендикулярной плоскости.Если бы этот угол был, то происходило бы только круговое движение, и не было бы движения кругов, перпендикулярных движению. Это то, что создает спиральное движение.

Кандела Цитаты

Лицензионный контент CC, особая атрибуция

  • Загрузите бесплатно по адресу http://cnx.org/contents/[email protected] Получено с : http://cnx.org/contents/[email protected] Лицензия : CC BY: Attribution

Что создает магнитное поле Земли?

Путешествие, чтобы увидеть северное или южное сияние, вошло в список желаний почти каждого.Но неизвестно большинству, эти прекрасные проявления света вызваны опасными космическими лучами, которые были отклонены магнитным полем нашей Земли.

Магнитные поля вокруг планет ведут себя так же, как стержневой магнит. Но при высоких температурах металлы теряют свои магнитные свойства. Итак, ясно, что горячее железное ядро ​​Земли не является тем, что создает магнитное поле вокруг нашей планеты.

Напротив, магнитное поле Земли вызвано динамо-эффектом.

Эффект работает так же, как динамо-светильник на велосипеде.Магниты в динамо-машине начинают вращаться при нажатии на педали велосипеда, создавая электрический ток. Затем электричество используется для включения света.

Этот процесс также работает в обратном порядке. Если у вас есть вращающийся электрический ток, он создаст магнитное поле.

На Земле течение жидкого металла во внешнем ядре планеты генерирует электрические токи. Вращение Земли вокруг своей оси заставляет эти электрические токи образовывать магнитное поле, которое распространяется вокруг планеты.

Магнитное поле чрезвычайно важно для поддержания жизни на Земле. Без этого мы были бы подвержены воздействию большого количества солнечной радиации, и наша атмосфера могла бы свободно просачиваться в космос.

Это, вероятно, то, что случилось с атмосферой на Марсе. Поскольку в ядре Марса нет текучего жидкого металла, он не производит такого же динамо-эффекта. Это оставило планету с очень слабым магнитным полем, из-за чего ее атмосфера была унесена солнечными ветрами, что сделало ее непригодной для жизни.

Магнитное поле Земли, подобное магнитному полю стержневого магнита, наклоненного на 11 градусов от оси вращения Земли. Предоставлено: Dea / D’Arco Editor / Getty Images

.

Королевский институт Австралии имеет образовательный ресурс, основанный на этой статье. Вы можете получить к нему доступ здесь.

Вишну Варма Р Веджаян

Вишну Варма Р Веджаян — студент-физик из Лондонского университета королевы Марии, интересующийся научными работами и исследованиями в области физики.Стажировался в «Космосе» в начале 2017 года.

Читайте научные факты, а не беллетристику …

Никогда еще не было более важного времени, чтобы объяснять факты, ценить знания, основанные на фактах, и демонстрировать последние научные, технологические и инженерные достижения. «Космос» издается Королевским институтом Австралии, благотворительной организацией, призванной связывать людей с миром науки. Финансовые взносы, какими бы большими они ни были, помогают нам предоставлять доступ к достоверной научной информации в то время, когда она больше всего нужна миру.Пожалуйста, поддержите нас, сделав пожертвование или купив подписку сегодня.

Электромагнетизм и электричество для электромагнитов

Хотя постоянные магниты создают хорошее, а иногда и очень сильное статическое магнитное поле, в некоторых приложениях сила этого магнитного поля все еще слишком мала или нам нужно иметь возможность контролировать величину присутствующего магнитного потока. Итак, чтобы создать более сильное и управляемое магнитное поле, нам нужно использовать электричество.

Используя катушки с проволокой, намотанной или намотанной вокруг магнитомягкого материала, такого как железный сердечник, мы можем производить очень сильные электромагниты для использования во многих различных электрических приложениях. Такое использование катушек с проволокой создает взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, которая дает нам другую форму магнетизма, называемую Электромагнетизм .

Электромагнетизм возникает, когда электрический ток течет через простой проводник, такой как отрезок провода или кабеля, и когда ток проходит по всему проводнику, магнитное поле создается вдоль всего проводника.Небольшое магнитное поле, создаваемое вокруг проводника, имеет определенное направление, причем как «северный», так и «южный» полюса определяются направлением электрического тока, протекающего через проводник.

Следовательно, необходимо установить взаимосвязь между током, протекающим через проводник, и результирующим магнитным полем, создаваемым вокруг него этим потоком тока, что позволяет нам определить взаимосвязь, которая существует между Electricity и Magnetism в форме Электромагнетизм .

Мы установили, что когда электрический ток течет через проводник, вокруг него создается круговое электромагнитное поле, при этом магнитные линии потока формируют полные петли, которые не пересекаются по всей длине проводника.

Направление вращения этого магнитного поля определяется направлением тока, протекающего через проводник, при этом соответствующее создаваемое магнитное поле сильнее вблизи центра проводника с током.Это связано с тем, что длина пути петель увеличивается по мере удаления от проводника, что приводит к более слабым магнитным линиям, как показано ниже.

Магнитное поле вокруг проводника

Простой способ определить направление магнитного поля вокруг проводника — это вкрутить обычный шуруп в лист бумаги. Когда винт входит в бумагу, вращение происходит ПО ЧАСОВОЙ СТРЕЛКЕ, и единственная часть винта, которая видна над бумагой, — это головка винта.

Если шуруп для дерева имеет конструкцию головки типа pozidriv или philips, крест на головке будет виден, и именно этот крест используется для обозначения тока, протекающего «в» бумагу и от наблюдателя.

Аналогичным образом, винт откручивается в обратном порядке, против часовой стрелки. Поскольку ток входит сверху, он выходит из нижней части бумаги, и единственная часть шурупа, которая видна снизу, — это кончик или острие шурупа, и именно эта точка используется для обозначения протекающего тока «наружу». бумаги и к наблюдателю.

Затем физическое действие при вкручивании и выкручивании шурупа из бумаги указывает направление тока в проводнике и, следовательно, направление вращения электромагнитного поля вокруг него, как показано ниже. Эта концепция широко известна как действие винта правой руки.

Винт с правой рукой

Магнитное поле подразумевает наличие двух полюсов, северного и южного. Полярность токоведущего проводника может быть установлена, нарисовав заглавные буквы S и N, а затем добавив наконечники стрелок к свободному концу букв, как показано выше, что дает визуальное представление о направлении магнитного поля.

Еще одна более известная концепция, которая определяет как направление тока, так и результирующее направление магнитного потока вокруг проводника, называется «Правило левой руки».

Правило левой руки
Электромагнетизм

Распознаваемое направление магнитного поля — от его северного полюса к южному полюсу. Это направление можно определить, удерживая токопроводящий проводник в левой руке с вытянутым большим пальцем, направленным в направлении потока электронов от отрицательного к положительному.

Положение пальцев, лежащих поперек и вокруг проводника, теперь будет указывать в направлении генерируемых магнитных силовых линий, как показано.

Если направление прохождения электрона через проводник меняется на противоположное, левую руку нужно будет положить на другую сторону проводника, указав большим пальцем в новом направлении потока электронного тока.

Кроме того, когда ток меняется на противоположное, направление магнитного поля, создаваемого вокруг проводника, также меняется на противоположное, потому что, как мы сказали ранее, направление магнитного поля зависит от направления потока тока.

Это «Правило левой руки» также можно использовать для определения магнитного направления полюсов в электромагнитной катушке. На этот раз пальцы указывают направление потока электронов от отрицательного к положительному, в то время как вытянутый большой палец указывает направление северного полюса. Существует разновидность этого правила, называемого «правилом правой руки», которое основано на так называемом обычном протекании тока (от положительного к отрицательному).

Представьте, что один прямой кусок проволоки сгибается в виде единой петли, как показано ниже.Хотя электрический ток течет в одном направлении по всей длине проводника, он будет течь через бумагу в противоположных направлениях. Это связано с тем, что ток покидает бумагу с одной стороны и входит в бумагу с другой, поэтому поле по часовой стрелке и поле против часовой стрелки создаются рядом друг с другом на листе бумаги.

Образовавшееся пространство между этими двумя проводниками становится «усиленным» магнитным полем с силовыми линиями, расширяющимися таким образом, что они принимают форму стержневого магнита, образующего отличительные северный и южный полюсы в точке пересечения.

Электромагнетизм вокруг контура

Силовые линии вокруг петли

Ток, протекающий через два параллельных проводника петли, имеет противоположные направления, поскольку ток через петлю выходит с левой стороны и возвращается с правой стороны. Это приводит к тому, что магнитное поле вокруг каждого проводника внутри петли находится в «ОДНОМ НАПРАВЛЕНИИ» друг к другу.

Результирующие силовые линии, генерируемые током, протекающим через петлю, противостоят друг другу в пространстве между двумя проводниками, где встречаются два одинаковых полюса, тем самым деформируя силовые линии вокруг каждого проводника, как показано.

Однако искажение магнитного потока между двумя проводниками приводит к увеличению напряженности магнитного поля в среднем переходе, когда силовые линии становятся ближе друг к другу. Получающееся в результате взаимодействие между двумя подобными полями создает механическую силу между двумя проводниками, когда они пытаются оттолкнуться друг от друга. В электрической машине это отталкивание этих двух магнитных полей вызывает движение.

Однако, поскольку проводники не могут двигаться, два магнитных поля помогают друг другу, создавая северный и южный полюсы вдоль этой линии взаимодействия.Это приводит к тому, что самое сильное магнитное поле находится посередине между двумя проводниками. Напряженность магнитного поля вокруг проводника пропорциональна расстоянию от проводника и величине тока, протекающего по нему.

Магнитное поле, создаваемое вокруг прямого отрезка токоведущего провода, очень слабое даже при прохождении через него большого тока. Однако, если несколько витков провода намотаны вместе вдоль одной оси, образуя катушку с проводом, результирующее магнитное поле станет еще более концентрированным и более сильным, чем у одного витка.Это производит электромагнитную катушку, более часто называемую соленоидом.

Тогда каждая длина провода имеет эффект электромагнетизма вокруг себя, когда через него протекает электрический ток. Направление магнитного поля зависит от направления потока тока. Мы можем увеличить силу генерируемого магнитного поля, сформировав из проволоки катушку, и мы рассмотрим этот эффект более подробно в следующем уроке.

Магнетизм, магнитный поток и магнитные материалы

Вокруг проводника создается небольшое магнитное поле, причем направление этого магнитного поля относительно его «северного» и «южного» полюсов определяется направлением тока, протекающего через проводник.

Магнетизм играет важную роль в электротехнике и электронике, потому что без него компоненты, такие как реле, соленоиды, индукторы, дроссели, катушки, громкоговорители, двигатели, генераторы, трансформаторы, счетчики электроэнергии и т. Д., Не работали бы, если бы не существовало магнетизма. .

Тогда каждая катушка проволоки использует эффект электромагнетизма, когда через нее протекает электрический ток. Но прежде чем мы сможем более подробно рассмотреть Magnetism и особенно Electromagnetism , нам нужно вернуться к нашим урокам физики о том, как работают магниты и магнетизм.

Природа магнетизма

Магниты могут быть найдены в естественном состоянии в виде магнитной руды, причем двумя основными типами являются Магнетит , также называемый «оксидом железа» (FE 3 O 4 ) и Lodestone , также называемый «Ведущий камень». Если эти два естественных магнита подвешены на веревке, они займут положение на одной линии с магнитным полем Земли, всегда направленным на север.

Хороший пример этого эффекта — стрелка циркуля.Для большинства практических применений этими естественными магнитами можно пренебречь, так как их магнетизм очень низкий, и потому, что в настоящее время искусственные магниты, созданные руками человека, могут быть произведены во многих различных формах, размерах и магнитной силе.

В основном существует две формы магнетизма: «Постоянные магниты» и «Временные магниты», причем тип используемого магнетизма зависит от его применения. Для изготовления магнитов существует множество различных типов материалов, таких как железо, никель, никелевые сплавы, хром и кобальт, и в своем естественном состоянии некоторые из этих элементов, такие как никель и кобальт, сами по себе обладают очень плохими магнитными величинами.

Однако при смешивании или «сплавлении» с другими материалами, такими как железо или перекись алюминия, они становятся очень сильными магнитами, производящими необычные названия, такие как «алкомакс», «гикомакс», «ални» и «алнико».

Магнитный материал в немагнитном состоянии имеет свою молекулярную структуру в виде рыхлых магнитных цепочек или отдельных крошечных магнитов, свободно расположенных в произвольном порядке. Общий эффект такого расположения приводит к нулевому или очень слабому магнетизму, поскольку это случайное расположение каждого молекулярного магнита имеет тенденцию нейтрализовать своего соседа.

Когда материал намагничен , это случайное расположение молекул изменяется, и крошечные невыровненные и случайные молекулярные магниты «выстраиваются» таким образом, что создают последовательное магнитное расположение. Эта идея молекулярного выравнивания ферромагнитных материалов известна как теория Вебера и проиллюстрирована ниже.

Выравнивание магнитной молекулы куска железа и магнита

Теория Вебера основана на том факте, что все атомы обладают магнитными свойствами из-за вращающего действия электронов атомов.Группы атомов объединяются так, что их магнитные поля вращаются в одном направлении. Магнитные материалы состоят из групп крошечных магнитов на молекулярном уровне вокруг атомов, а намагниченный материал будет иметь большую часть своих крошечных магнитов, выстроенных в одном направлении только для создания северного полюса в одном направлении и южного полюса в другом направлении. .

Аналогично, у материала, крошечные молекулярные магниты которого направлены во всех направлениях, будут нейтрализованы молекулярные магниты соседним магнитом, тем самым нейтрализуя любой магнитный эффект.Эти области молекулярных магнитов называются «доменами».

Любой магнитный материал сам создает магнитное поле, которое зависит от степени выравнивания магнитных доменов в материале, создаваемой орбитальными и вращающимися электронами. Эта степень совмещения может быть определена величиной, известной как намагниченность, M.

В немагнитном материале M = 0, но некоторые из доменов остаются выровненными на небольших участках в материале после удаления магнитного поля. Эффект приложения намагничивающей силы к материалу заключается в выравнивании некоторых доменов для получения ненулевого значения намагниченности.

После того, как сила намагничивания будет снята, магнетизм внутри материала либо останется, либо быстро исчезнет, ​​в зависимости от используемого магнитного материала. Эта способность материала сохранять свой магнетизм называется удерживающей способностью .

Материалы, которые должны сохранять свой магнетизм, будут иметь довольно высокую удерживающую способность и, как таковые, используются для изготовления постоянных магнитов, в то время как те материалы, которые должны быстро терять свой магнетизм, такие как сердечники из мягкого железа для реле и соленоидов, будут иметь очень низкую удерживающую способность.

Магнитный поток

Все магниты, независимо от их формы, имеют две области, называемые магнитными полюсами, с магнетизмом как внутри, так и вокруг магнитной цепи, образуя определенную цепочку организованных и сбалансированных невидимых линий потока вокруг нее. Эти силовые линии вместе называют «магнитным полем» магнита. Форма этого магнитного поля более интенсивна в некоторых частях, чем в других, при этом область магнита, имеющая наибольший магнетизм, называется «полюсами».На каждом конце магнита есть полюс.

Эти линии потока (называемые векторным полем) не видны невооруженным глазом, но их можно увидеть визуально, если нанести на лист бумаги железную начинку или отследить их с помощью небольшого компаса. Магнитные полюса всегда присутствуют парами, всегда есть область магнита, называемая северным полюсом, и всегда есть противоположная область, называемая южным полюсом.

Магнитные поля всегда отображаются визуально в виде силовых линий, которые дают определенный полюс на каждом конце материала, где силовые линии более плотные и сконцентрированные.Линии, которые образуют магнитное поле, показывающее направление и интенсивность, называются силовыми линиями или более часто «Магнитным потоком» и обозначаются греческим символом Phi (Φ), как показано ниже.

Силовые линии от магнитного поля стержневого магнита

Как показано выше, магнитное поле наиболее сильное вблизи полюсов магнита, где силовые линии расположены ближе друг к другу. Общее направление потока магнитного потока — от северного (N) к южному (S) полюсу.Кроме того, эти магнитные линии образуют замкнутые петли, которые выходят на северном полюсе магнита и входят на южном полюсе. Магнитные полюса всегда парные.

Однако магнитный поток на самом деле не течет с севера на южный полюс и не течет где-либо в этом отношении, поскольку магнитный поток — это статическая область вокруг магнита, в которой существует магнитная сила. Другими словами, магнитный поток не течет и не движется, он просто присутствует и на него не влияет сила тяжести. При построении силовых линий выявляются некоторые важные факты:

  • Силовые линии НИКОГДА не пересекаются.
  • Силовые линии НЕПРЕРЫВНЫ.
  • Силовые линии всегда образуют отдельные ЗАМКНУТЫЕ ПЕТЛИ вокруг магнита.
  • Силовые линии имеют определенное НАПРАВЛЕНИЕ с севера на юг.
  • Силовые линии, расположенные близко друг к другу, указывают на СИЛЬНОЕ магнитное поле.
  • Силовые линии, расположенные дальше друг от друга, указывают на СЛАБОЕ магнитное поле.

Магнитные силы притягиваются и отталкиваются, как электрические силы, и когда две силовые линии сближаются, взаимодействие между двумя магнитными полями вызывает одно из двух:

  • 1.- Когда соседние полюса одинаковы (север-север или юг-юг), они ОТКЛОНЯЮТСЯ друг друга.
  • 2. — Когда соседние полюса не совпадают (север-юг или юг-север), они ПРИТЯГИВАЮТ друг друга.

Этот эффект легко запомнить по знаменитому выражению «противоположности притягиваются», и это взаимодействие магнитных полей можно легко продемонстрировать, используя железные пломбы, чтобы показать силовые линии вокруг магнита. Влияние на магнитные поля различных комбинаций полюсов, например, отталкивания одинаковых полюсов и притяжения разных полюсов, можно увидеть ниже.

Магнитное поле одинаковых и отличных полюсов

При нанесении линий магнитного поля с помощью компаса будет видно, что силовые линии образуются таким образом, чтобы дать определенный полюс на каждом конце магнита, где силовые линии покидают северный полюс и снова входят в Южный полюс. Магнетизм можно разрушить путем нагревания или удара по магнитному материалу, но нельзя разрушить или изолировать, просто разбив магнит на две части.

Итак, если вы возьмете обычный стержневой магнит и разобьете его на две части, у вас не будет двух половинок магнита, но вместо этого у каждой сломанной части будет свой собственный северный полюс и южный полюс. Если вы возьмете одну из этих частей и снова разделите ее на две, каждая из меньших частей будет иметь Северный полюс, Южный полюс и так далее. Независимо от того, насколько маленькими становятся кусочки магнита, у каждого кусочка все равно будет Северный полюс и Южный полюс, безумие!

Затем, чтобы мы могли использовать магнетизм в электрических или электронных расчетах, необходимо определить, каковы различные аспекты магнетизма.

Величина магнетизма

Теперь мы знаем, что силовые линии или, чаще всего, магнитный поток вокруг магнитного материала обозначается греческим символом Phi (Φ), а единицей измерения потока является Вебер (Wb) в честь Вильгельма Эдуарда Вебера. Но количество силовых линий в пределах данной единицы площади называется «Плотностью потока», и поскольку поток (Φ) измеряется в (Wb), а площадь (A) — в квадратных метрах (м 2 ), плотность потока равна поэтому измеряется в Webers / Meter 2 или (Wb / m 2 ) и обозначается символом B.

Однако, когда речь идет о плотности потока в магнетизме, плотность потока дается в единицах Тесла после Николы Тесла, поэтому один Вт / м 2 равен одному Тесла, 1 Вт / м 2 = 1Тл. Плотность потока пропорциональна силовым линиям и обратно пропорциональна площади, поэтому мы можем определить плотность потока как:

Плотность магнитного потока

Обозначение плотности магнитного потока — В, а единицей измерения плотности магнитного потока — Тесла, Т.

Важно помнить, что все расчеты плотности потока выполняются в одних и тех же единицах измерения, например, поток в веберах, площадь в м2 и плотность потока в теслах.

Пример магнетизма №1

Величина магнитного потока, присутствующего в круглом магнитном стержне, составила 0,013 интервала. Если материал имеет диаметр 12 см, рассчитайте плотность потока.

Площадь поперечного сечения магнитного материала в м2 определяется как:

Магнитный поток равен 0.013 webers, поэтому плотность потока можно рассчитать как:

Таким образом, плотность потока рассчитана как 1,15 тесла.

Имея дело с магнетизмом в электрических цепях, необходимо помнить, что одна тесла — это плотность магнитного поля, при которой проводник, несущий 1 ампер перпендикулярно магнитному полю, испытывает на нем силу длиной в один ньютон-метр, и это будет будет продемонстрировано в следующем уроке по электромагнетизму.

.

Author: alexxlab

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *