Определение магнитного поля. Его источники
Определение
Магнитное поле - одна из форм электромагнитного поля, которое действует только на движущиеся тела, которые имеют электрический заряд или намагниченные тела не зависимо от их движения.
Источниками этого поля являются постоянные электрические токи, движущиеся электрические заряды (телами и частицами), намагниченные тела, переменные электрические поля. Источниками постоянного магнитного поля являются постоянные токи.
Свойства магнитного поля
Во времена, когда изучение магнитных явлений только началось, исследователи особенное внимание уделяли тому, что существуют полюса в намагниченных брусках. В них магнитные свойства проявлялись особенно ярко. При этом четко было видно, что полюса магнита различны. Разноименные полюса притягивались, а одноименные отталкивались. Гильберт высказал идею о существовании «магнитных зарядов». Эти представление подержал и развил Кулон. На основе опытов Кулона силовой характеристикой магнитного поля стала сила, с которой магнитное поле действует на магнитный заряд, равный единице. Кулон же обратил внимание на существенные различия между явлениями в электричестве и магнетизме. Различие проявляется уже в том, что электрические заряды можно разделить и получить тела с избытком положительного или отрицательного заряда, тогда как невозможно разделить северный и южный полюса магнита и получить тело только с одним полюсом. Из невозможности деления магнита на исключительно «северный» или «южный» Кулон решил, что два эти вида зарядов неразрывны в каждой элементарной частице намагничивающего вещества. Так, было признано, что каждая частица вещества - атом, молекула или их группа -- есть нечто вроде микро магнита с двумя полюсами. Намагничивание тела при этом -- процесс ориентации его элементарных магнитов под влиянием внешнего магнитного поля (аналог поляризации диэлектриков).
Взаимодействие токов реализуется посредством магнитных полей. Эрстед обнаружил, что магнитное поле возбуждается током и оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку. У Эрстеда проводник с током был расположен над магнитной стрелкой, которая могла вращаться. Когда ток шел в проводнике, стрелка поворачивалась перпендикулярно проволоке. Смена направления тока вызывало переориентацию стрелки. Из опыта Эрстеда следовало, что магнитное поле имеет направление и должно характеризоваться векторной величиной. Эту величину назвали магнитной индукцией и обозначили: $\overrightarrow{B}.$ $\overrightarrow{B}$ аналогичен вектору напряженности для электрического поля ($\overrightarrow{E}$). Аналогом вектора смещения $\overrightarrow{D}\ $для магнитного поля стал вектор $\overrightarrow{H}$- называемый вектором напряжённости магнитного поля.
Магнитное поле воздействует только на движущийся электрический заряд. Магнитное поле рождается движущимися электрическими зарядами.
Магнитное поле движущегося заряда. Магнитное поле витка с током. Принцип суперпозиции
Магнитное поле электрического заряда, который движется с постоянной скоростью, имеет вид:
\[\overrightarrow{B}=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{q\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{r}\right]}{r^3}\left(1\right),\]
где ${\mu }_0=4\pi \cdot {10}^{-7}\frac{Гн}{м}(в\ СИ)$ -- магнитная постоянная, $\overrightarrow{v}$ -- скорость движения заряда, $\overrightarrow{r}$ -- радиус вектор, определяющий местоположение заряда, q -- величина заряда, $\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{r}\right]$- векторное произведение.
Магнитная индукция элемента с током в системе СИ:
где$\ \overrightarrow{r}$- радиус-вектор, проведенный из элемента тока в рассматриваемую точку, $\overrightarrow{dl}$- элемент проводника с током (направление задано направление тока), $\vartheta$ -- угол между $\overrightarrow{dl}$ и $\overrightarrow{r}$. Направление вектора $\overrightarrow{dB}$ -- перпендикулярно к плоскости, в которой лежат $\overrightarrow{dl}$ и $\overrightarrow{r}$. Определяется правилом правого винта.
Для магнитного поля выполняется принцип суперпозиции :
\[\overrightarrow{B}=\sum{{\overrightarrow{B}}_i\left(3\right),}\]
где ${\overrightarrow{B}}_i$ -- отдельные поля, которые порождаются движущимися зарядами, $\overrightarrow{B}$ -- суммарная индукция магнитного поля.
Пример 1
Задание: Найдите отношение сил магнитного и кулоновского взаимодействия двух электронов, которые движутся с одинаковыми скоростями $v$ параллельно. Расстояние между частицами постоянно.
\[\overrightarrow{F_m}=q\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{B}\right]\left(1.1\right).\]
Поле, которое создает второй движущийся электрон равно:
\[\overrightarrow{B}=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{q\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{r}\right]}{r^3}\left(1.2\right).\]
Пусть расстояние между электронами равно $a=r\ (постоянно)$. Используем алгебраическое свойство векторного произведения (тождество Лагража ($\left[\overrightarrow{a}\left[\overrightarrow{b}\overrightarrow{c}\right]\right]=\overrightarrow{b}\left(\overrightarrow{a}\overrightarrow{c}\right)-\overrightarrow{c}\left(\overrightarrow{a}\overrightarrow{b}\right)$))
\[{\overrightarrow{F}}_m=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{q^2}{a^3}\left[\overrightarrow{v}\left[\overrightarrow{v}\overrightarrow{a}\right]\right]=\left(\overrightarrow{v}\left(\overrightarrow{v}\overrightarrow{a}\right)-\overrightarrow{a}\left(\overrightarrow{v}\overrightarrow{v}\right)\right)=-\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{q^2\overrightarrow{a}v^2}{a^3}\ ,\]
$\overrightarrow{v}\left(\overrightarrow{v}\overrightarrow{a}\right)=0$, так как $\overrightarrow{v\bot }\overrightarrow{a}$.
Модуль силы $F_m=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{q^2v^2}{a^2},\ $где $q=q_e=1,6\cdot 10^{-19}Кл$.
Модуль силы Кулона, которая действует на электрон, в поле равна:
Найдем отношение сил $\frac{F_m}{F_q}$:
\[\frac{F_m}{F_q}=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\frac{q^2v^2}{a^2}:\frac{q^2}{{4\pi {\varepsilon }_0a}^2}={\mu }_0{{\varepsilon }_0v}^2.\]
Ответ: $\frac{F_m}{F_q}={\mu }_0{{\varepsilon }_0v}^2.$
Пример 2
Задание: По витку с током в виде окружности радиуса R циркулирует постоянный ток силы I. Найдите магнитную индукцию в центре окружности.
Выберем на проводнике с током элементарный участок (рис.1), в качестве основы для решения задачи используем формулу индукции элемента витка с током:
где$\ \overrightarrow{r}$- радиус-вектор, проведенный из элемента тока в рассматриваемую точку, $\overrightarrow{dl}$- элемент проводника с током (направление задано направление тока), $\vartheta$ -- угол между $\overrightarrow{dl}$ и $\overrightarrow{r}$. Исходя из рис. 1 $\vartheta=90{}^\circ $, следовательно (2.1) упростится, кроме того расстояние от центра окружности (точки, где мы ищем магнитное поле) элемента проводника с током постоянно и равно радиусу витка (R), следовательно имеем:
От всех элементов тока будет образовываться магнитные поля, которые направлены по оси x. Это значит, что результирующий вектор индукции магнитного поля можно найти как сумму проекций отдельных векторов$\ \ \overrightarrow{dB}.$ Тогда по принципу суперпозиции полную индукцию магнитного поля можно получить, если перейти к интегралу:
Подставим (2.2) в (2.3), получим:
Ответ: $B$=$\frac{{\mu }_0}{2}\frac{I}{R}.$
Магнитное поле – это материальная среда, через которую осуществляется взаимодействие между проводниками с током или движущимися зарядами.
Свойства магнитного поля :
Характеристики магнитного поля :
Для исследования магнитного поля используют пробный контур с током. Он имеет малые размеры, и ток в нём много меньше тока в проводнике, создающем магнитное поле. На противоположные стороны контура с током со стороны магнитного поля действуют силы, равные по величине, но направленные в противоположные стороны, так как направление силы зависит от направления тока. Точки приложения этих сил не лежат на одной прямой. Такие силы называют парой сил . В результате действия пары сил контур не может двигаться поступательно, он поворачивается вокруг своей оси. Вращающее действие характеризуетсямоментом сил .
,
гдеl
–плечо пары
сил
(расстояние между точками приложения
сил).
При увеличении тока в пробном контуре или площади контура пропорционально увеличится момент пары сил. Отношение максимального момента сил, действующего на контур с током, к величине силы тока в контуре и площади контура – есть величина постоянная для данной точки поля. Называется она магнитной индукцией .
,
где
-магнитный момент
контура с током.
Единица измерения магнитной индукции –Тесла [Тл].
Магнитный момент контура – векторная величина, направление которой зависит от направления тока в контуре и определяется поправилу правого винта : правую руку сжать в кулак, четыре пальца направить по направлению тока в контуре, тогда большой палец укажет направление вектора магнитного момента. Вектор магнитного момента всегда перпендикулярен плоскости контура.
За направление вектора магнитной индукции принимают направление вектора магнитного момента контура, ориентированного в магнитном поле.
Линия
магнитной индукции
– линия, касательная
к которой в каждой точке совпадает с
направлением вектора магнитной индукции.
Линии магнитной индукции всегда замкнуты,
никогда не пересекаются.Линии магнитной
индукции прямого проводника
с током
имеют вид окружностей, расположенных
в плоскости, перпендикулярной проводнику.
Направление линий магнитной индукции
определяют по правилу правого винта.Линии магнитной индукции кругового
тока
(витка с током) также имеют вид
окружностей. Каждый элемент витка длиной
можно представить как прямолинейный
проводник, который создаёт своё магнитное
поле. Для магнитных полей выполняется
принцип суперпозиции (независимого
сложения). Суммарный вектор магнитной
индукции кругового тока определяется
как результат сложения этих полей в
центре витка по правилу правого винта.
Если величина и направление вектора магнитной индукции одинаковы в каждой точке пространства, то магнитное поле называют однородным . Если величина и направление вектора магнитной индукции в каждой точке не изменяются с течением времени, то такое поле называютпостоянным.
Величина магнитной индукции в любой точке поля прямо пропорциональна силе тока в проводнике, создающем поле, обратно пропорциональна расстоянию от проводника до данной точки поля, зависит от свойств среды и формы проводника, создающего поле.
,
где
Н/А 2 ; Гн/м– магнитная постоянная
вакуума
,
-относительная магнитная проницаемость
среды
,
-абсолютная магнитная проницаемость
среды
.
В зависимости от величины магнитной проницаемости все вещества разделяют на три класса:
При увеличении абсолютной проницаемости среды увеличивается и магнитная индукция в данной точке поля. Отношение магнитной индукции к абсолютной магнитной проницаемости среды – величина постоянная для данной точки поли, е называют напряжённостью.
.
Векторы напряжённости и магнитной индукции совпадают по направлению. Напряжённость магнитного поля не зависит от свойств среды.
Сила Ампера – сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.
Гдеl
– длина проводника,
- угол между вектором магнитной индукции
и направлением тока.
Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки : левую руку располагают так, чтобы составляющая вектора магнитной индукции, перпендикулярная проводнику, входила в ладонь, четыре вытянутых пальца направить по току, тогда отогнутый на 90 0 большой палец укажет направление силы Ампера.
Результат действия силы Ампера – движение проводника в данном направлении.
Е
сли
= 90 0 , тоF=max,
если
= 0 0 , тоF= 0.
Сила Лоренца – сила действия магнитного поля на движущийся заряд.
,
гдеq– заряд,v– скорость его движения,
- угол между векторами напряжённости и
скорости.
Сила Лоренца всегда перпендикулярна векторам магнитной индукции и скорости. Направление определяют по правилу левой руки (пальцы – по движению положительного заряда). Если направление скорости частицы перпендикулярно линиям магнитной индукции однородного магнитного поля, то частица движется по окружности без изменения кинетической энергии.
Так как направление силы Лоренца зависит от знака заряда, то её используют для разделения зарядов.
Магнитный поток – величина, равная числу линий магнитной индукции, которые проходят через любую площадку, расположенную перпендикулярно линиям магнитной индукции.
,
где
- угол между магнитной индукцией и
нормалью (перпендикуляром) к площадиS.
Единица измерения – Вебер [Вб].
Способы измерения магнитного потока:
Изменение ориентации площадки в магнитном поле (изменение угла)
Изменение площади контура, помещённого в магнитное поле
Изменение силы тока, создающего магнитное поле
Изменение расстояния контура от источника магнитного поля
Изменение магнитных свойств среды.
Ф
арадей
регистрировал электрический ток в
контуре, не содержащим источника, но
находившемся рядом с другим контуром,
содержащим источник. Причём ток в первом
контуре возникал в следующих случаях:
при любом изменении тока в контуре А,
при относительном перемещении контуров,
при внесении в контур А железного
стержня, при движении относительно
контура Б постоянного магнита. Направленное
движение свободных зарядов (ток) возникает
только в электрическом поле. Значит,
изменяющееся магнитное поле порождает
электрическое поле, которое и приводит
в движение свободные заряды проводника.
Это электрическое поле называютиндуцированным
иливихревым
.
Отличия вихревого электрического поля от электростатического:
Источник вихревого поля – изменяющееся магнитное поле.
Линии напряжённости вихревого поля замкнуты.
Работа, совершаемая этим полем по перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю.
Энергетической характеристикой вихревого поля является не потенциал, а ЭДС индукции – величина, равная работе сторонних сил (сил не электростатического происхождения) по перемещению единицы заряда по замкнутому контуру.
.Измеряется в Вольтах
[В].
Вихревое электрическое поле возникает при любом изменении магнитного поля, независимо от того, есть ли проводящий замкнутый контур или его нет. Контур только позволяет обнаружить вихревое электрическое поле.
Электромагнитная индукция – это возникновение ЭДС индукции в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока через его поверхность.
ЭДС индукции в замкнутом контуре порождает индукционный ток.
.
Направление индукционного тока определяют поправилу Ленца : индукционный ток имеет такое направление, что созданное им магнитное поле противодействует любому изменению магнитного потока, породившего этот ток.
Закон Фарадея для электромагнитной индукции : ЭДС индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром.
Т
оки
Фуко
– вихревые индукционные токи,
возникающие в проводниках больших
размеров, помещённых в изменяющееся
магнитное поле. Сопротивление такового
проводника мало, так как он имеет большое
сечениеS, поэтому токи
Фуко могут быть большими по величине,
в результате чего проводник нагревается.
Самоиндукция – это возникновение ЭДС индукции в проводнике при изменении силы тока в нём.
Проводник с током создаёт магнитное поле. Магнитная индукция зависит от силы тока, следовательно собственный магнитный поток тоже зависит от силы тока.
,
гдеL– коэффициент
пропорциональности,индуктивность
.
Единица измерения индуктивности – Генри [Гн].
Индуктивность проводника зависит от его размеров, формы и магнитной проницаемости среды.
Индуктивность увеличивается при увеличении длины проводника, индуктивность витка больше индуктивности прямого проводника такой же длины, индуктивность катушки (проводника с большим числом витков) больше индуктивности одного витка, индуктивность катушки увеличивается, если в неё вставить железный стержень.
Закон Фарадея для самоиндукции
:
.
ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока.
ЭДС самоиндукции порождает ток самоиндукции, который всегда препятствует любому изменению тока в цепи, то есть, если ток увеличивается, ток самоиндукции направлен в противоположную сторону, при уменьшении тока в цепи, ток самоиндукции направлен в ту же сторону. Чем больше индуктивность катушки, тем больше ЭДС самоиндукции возникает в ней.
Энергия магнитного поля равна работе, которую совершает ток для преодоления ЭДС самоиндукции за время, пока ток возрастает от нуля до максимального значения.
.
Электромагнитные колебания – это периодические изменения заряда, силы тока и всех характеристик электрического и магнитного полей.
Электрическая колебательная система (колебательный контур) состоит из конденсатора и катушки индуктивности.
Условия возникновения колебаний :
Систему надо вывести из состояния равновесия, для этого сообщают заряд конденсатору. Энергия электрического поля заряженного конденсатора:
.
Система должна возвращаться в состояние равновесия. Под действием электрического поля заряд переходит с одной пластины конденсатора на другую, то есть в цепи возникает электрический ток, которые идёт по катушке. При увеличении тока в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, ток самоиндукции направлен в противоположную сторону. Когда ток в катушке уменьшается, ток самоиндукции направлен в ту же сторону. Таким образом, ток самоиндукции стремиться возвратить систему к состоянию равновесия.
Электрическое сопротивление цепи должно быть малым.
Идеальный колебательный контур не имеет сопротивления. Колебания в нём называютсвободными.
Для любой электрической цепи выполняется закон Ома, согласно которому ЭДС, действующая в контуре, равна сумме напряжений на всех участках цепи. В колебательном контуре источника тока нет, но в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции, которая равна напряжению на конденсаторе.
Вывод: заряд конденсатора изменяется по гармоническому закону .
Напряжение
на конденсаторе
:
.
Сила
тока в контуре
:
.
Величина
- амплитуда силы тока.
Отличие от заряда на
.
Период свободных колебаний в контуре
:
Энергия электрического поля конденсатора
:
Энергия магнитного поля катушки
:
Энергии электрического и магнитного полей изменяются по гармоническому закону, но фазы их колебаний разные: когда энергия электрического поля максимальна, энергия магнитного поля равна нулю.
Полная энергия колебательной системы
:
.
В идеальном контуре полная энергия не изменяется.
В процессе колебаний энергия электрического поля полностью превращается в энергию магнитного поля и наоборот. Значит энергия в любой момент времени равна или максимальной энергии электрического поля, или максимальной энергии магнитного поля.
Реальный колебательный контур содержит сопротивление. Колебания в нём называютзатухающими.
Закон Ома примет вид:
При условии что затухание мало (квадрат собственной частоты колебаний много больше квадрата коэффициента затухания) логарифмический декремент затухания:
При сильном затухании (квадрат собственной частоты колебаний меньше квадрата коэффициента колебаний):
Это уравнение описывает процесс разрядки конденсатора на резистор. При отсутствии индуктивности колебаний не возникнет. По такому закону изменяется и напряжение на обкладках конденсатора.
Полная энергия в реальном контуре уменьшается, так как на сопротивлениеRпри прохождении тока выделяется теплота.
Переходный процесс
– процесс,
возникающий в электрических цепях при
переходе от одного режима работы к
другому. Оценивается временем (
),
в течение которого параметр, характеризующий
переходный процесс изменится в е раз.
Для контура с конденсатором и резистором
:
.
Теория Максвелла об электромагнитном поле :
1 положение:
Всякое переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное. Переменное электрическое поле было названо Максвеллом током смещения, так как оно подобно обычному току вызывает магнитное поле.
Для обнаружения тока смещения рассматривают прохождение тока по системе, в которую включён конденсатор с диэлектриком.
Плотность тока смещения
:
.
Плотность тока направлена в сторону
изменения напряжённости.
Первое уравнение Максвелла
:
- вихревое магнитное поле порождается
как токами проводимости (движущимися
электрическими зарядами) так и токами
смещения (переменным электрическим
полем Е).
2 положение:
Всякое переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле – основной закон электромагнитной индукции.
Второе уравнение Максвелла
:
- связывает скорость изменения магнитного
потока сквозь любую поверхность и
циркуляцию вектора напряжённости
электрического поля, возникающего при
этом.
Любой проводник с током создаёт в пространстве магнитное поле . Если ток постоянный (не изменяется с течением времени), то и связанное с ним магнитное поле тоже постоянное. Изменяющийся ток создаёт изменяющиеся магнитное поле. Внутри проводника с током существует электрическое поле. Следовательно, изменяющееся электрическое поле создаёт изменяющееся магнитное поле.
Магнитное поле вихревое, так как линии
магнитной индукции всегда замкнуты.
Величина напряженности магнитного поля
Н пропорциональна скорости изменения
напряжённости электрического поля
.
Направление вектора напряжённости
магнитного поля
связано с изменением напряжённости
электрического поля
правилом правого винта: правую руку
сжать в кулак, большой палец направить
в сторону изменения напряжённости
электрического поля, тогда согнутые 4
пальца укажут направление линий
напряжённости магнитного поля.
Любое изменяющееся магнитное поле создаёт вихревое электрическое поле , линии напряжённости которого замкнуты и расположены в плоскости, перпендикулярной напряжённости магнитного поля.
Величина напряжённости Е вихревого
электрического поля зависит от скорости
изменения магнитного поля
.
Направление вектора Е связано с
направлением изменения магнитного пол
Н правилом левого винта: левую руку
сжать в кулак, большой палец направить
в сторону изменения магнитного поля,
согнутые четыре пальца укажут направление
линий напряжённости вихревого
электрического поля.
Совокупность связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей представляют электромагнитное поле . Электромагнитное поле не остаётся в месте зарождения, а распространяется в пространстве в виде поперечной электромагнитной волны.
Электромагнитная волна – это распространение в пространстве связанных друг с другом вихревых электрического и магнитного полей.
Условие возникновения электромагнитной волны – движение заряда с ускорением.
Уравнение электромагнитной волны :
- циклическая частота электромагнитных
колебаний
t– время от начала колебаний
l– расстояние от источника волны до данной точки пространства
- скорость распространения волны
Время движения волны от источника до данной точки.
Векторы Е и Н в электромагнитной волне перпендикулярны друг другу и скорости распространения волны.
Источник электромагнитных волн – проводники, по которым протекают быстропеременные токи (макроизлучатели), а также возбуждённые атомы и молекулы (микроизлучатели). Чем больше частота колебаний, тем лучше излучаются в пространстве электромагнитные волны.
Свойства электромагнитных волн:
Все электромагнитные волны – поперечные
В однородной среде электромагнитные волны распространяются с постоянной скоростью , которая зависит от свойств среды:
- относительная диэлектрическая
проницаемость среды
- диэлектрическая постоянная вакуума,
Ф/м,
Кл 2 /нм 2
- относительная магнитная проницаемость
среды
- магнитная постоянная вакуума,
Н/А 2 ; Гн/м
Электромагнитные волны отражаются от препятствий, поглощаются, рассеиваются, преломляются, поляризуются, дифрагируют, интерферируют .
Объёмная плотность энергии электромагнитного поля складывается из объёмных плотностей энергии электрического и магнитного полей:
Плотность потока энергии волн – интенсивность волны :
-вектор Умова-Пойнтинга
.
Все электромагнитные волны расположены
в ряд по частотам или длинам волн (
).
Этот ряд –шкала электромагнитных
волн
.
Низкочастотные колебания . 0 – 10 4 Гц. Получают в генераторах. Они плохо излучаются
Радиоволны . 10 4 – 10 13 Гц. Излучаются твёрдыми проводниками, по которым проходят быстропеременные токи.
Инфракрасное излучение – волны, излучаемые всеми телами при температуре свыше 0 К, благодаря внутриатомным и внутри молекулярным процессам.
Видимый свет – волны, оказывающие действие на глаз, вызывая зрительное ощущение. 380-760 нм
Ультрафиолетовое излучение . 10 – 380 нм. Видимый свет и УФ возникают при изменении движения электронов внешних оболочек атома.
Рентгеновское излучение . 80 – 10 -5 нм. Возникает при изменении движения электронов внутренних оболочек атома.
Гамма-излучение . Возникает при распаде ядер атомов.
Магнитное поле это материя, которая возникает вокруг источников электрического тока, а также вокруг постоянных магнитов. В пространстве магнитное поле отображается как совокупление сил, которые способны оказать воздействие на намагниченные тела. Это действие объясняется наличием движущих разрядов на молекулярном уровне.
Магнитное поле формируется только вокруг электрических зарядов, которые находятся в движении. Именно поэтому магнитное и электрическое поле являются, неотъемлемыми и вместе формируют электромагнитное поле . Компоненты магнитного поля взаимосвязаны и воздействуют друг на друга, изменяя свои свойства.
Свойства магнитного поля:
1. Магнитное поле возникает под воздействие движущих зарядов электрического тока.
2. В любой своей точке магнитное поле характеризуется вектором физической величины под названием магнитная индукция
, которая является силовой характеристикой магнитного поля.
3. Магнитное поле может воздействовать только на магниты, на токопроводящие проводники и движущиеся заряды.
4. Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа
5. Магнитное поле измеряется только специальными приборами и не может быть воспринятым органами чувств человека.
6. Магнитное поля является электродинамическим, так как порождается только при движении заряженных частиц и оказывает влияние только на заряды, которые находятся в движении.
7. Заряженные частицы двигаются по перпендикулярной траектории.
Размер магнитного поля зависит от скорости изменения магнитного поля. Соответственно этому признаку существуют два вида магнитного поля: динамичное магнитное поле
и гравитационное магнитное поле
. Гравитационное магнитное поле
возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей строения этих частиц.
Магнитный момент
возникает в том случае, когда магнитное поле воздействует на токопроводящую раму. Другими словами, магнитный момент это вектор, который расположен на ту линию, которая идет перпендикулярно раме.
Магнитное поле можно изобразить графически с помощью магнитных силовых линий. Эти линии проводятся в таком направлении, так чтобы направление сил поля совпало с направлением самой силовой линии. Магнитные силовые линии являются непрерывными и замкнутыми одновременно.
Направление магнитного поля определяется с помощью магнитной стрелки. Силовые линии определяют также полярность магнита, конец с выходом силовых линий это северный полюс, а конец, с входом этих линий, это южный полюс.
Очень удобно наглядно оценить магнитное поле с помощью обычных железных опилок и листка бумаги.
Если мы на постоянный магнит положим лист бумаги, а сверху насыпим опилок, то частички железа выстроятся соответственно силовым линиям магнитного поля.
Направление силовых линий для проводника удобно определять по знаменитому правилу буравчика
или правилу правой руки
. Если мы обхватим проводник рукой так, чтобы большой палец смотрел по направлению тока(от минуса к плюсу), то 4 оставшиеся пальцы покажут нам направление силовых линий магнитного поля.
А направление силы Лоренца - силы, с которой действует магнитное поле на заряженную частицу или проводник с током, по правилу левой руки
.
Если мы расположим левую руку в магнитном поле так, что 4 пальца смотрели по направлению тока в проводнике, а силовые линии входили в ладонь, то большой палец укажет направление силы Лоренца, силы действующей на проводник помещенный в магнитное поле.
На этом собственно всё. Появившиеся вопросы обязательно задавайте в комментариях.
Магнитное поле и его характеристики. При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле . Магнитное поле представляет собой один из видов материи. Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю (рис. 34). Магнитное поле образуется только вокруг движущихся электрических зарядов, и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды. Магнитное и электрические поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле . Всякое изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля и, наоборот, всякое изменение магнитного поля сопровождается возникновением электрического поля. Электромагнитное поле распространяется со скоростью света, т. е. 300 000 км/с.
Графическое изображение магнитного поля. Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми линиями, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля; магнитные силовые линии всегда являются непрерывными и замкнутыми. Направление магнитного поля в каждой точке может быть определено при помощи магнитной стрелки. Северный полюс стрелки всегда устанавливается в направлении действия сил поля. Конец постоянного магнита, из которого выходят силовые линии (рис. 35, а), принято считать северным полюсом, а противоположный конец, в который входят силовые линии,- южным полюсом (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны). Распределение силовых линий между полюсами плоского магнита можно обнаружить при помощи стальных опилок, насыпанных на лист бумаги, положенный на полюсы (рис. 35, б). Для магнитного поля в воздушном зазоре между двумя параллельно расположенными разноименными полюсами постоянного магнита характерно равномерное распределение силовых магнитных линий (рис. 36) (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны).
Рис. 37. Магнитный поток, пронизывающий катушку при перпендикулярном (а) и наклонном (б) ее положениях по отношению к направлению магнитных силовых линий.
Для более наглядного изображения магнитного поля силовые линии располагают реже или гуще. В тех местах, где магнитное роле сильнее, силовые линии располагают ближе друг к другу, там же, где оно слабее,- дальше друг от друга. Силовые линии нигде не пересекаются.
Во многих случаях удобно рассматривать магнитные силовые линии как некоторые упругие растянутые нити, которые стремятся сократиться, а также взаимно отталкиваются друг от друга (имеют взаимный боковой распор). Такое механическое представление о силовых линиях позволяет наглядно объяснить возникновение электромагнитных сил при взаимодействии магнитного поля и Проводника с током, а также двух магнитных полей.
Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток, магнитная проницаемость и напряженность магнитного поля.
Магнитная индукция и магнитный поток. Интенсивность магнитного поля, т. е.способность его производить работу, определяется величиной, называемой магнитной индукцией. Чем сильнее магнитноe поле, созданное постоянным магнитом или электромагнитом, тем большую индукцию оно имеет. Магнитную индукцию В можно характеризовать плотностью силовых магнитных линий, т. е. числом силовых линий, проходящих через площадь 1 м 2 или 1 см 2 , расположенную перпендикулярно магнитному полю. Различают однородные и неоднородные магнитные поля. В однородном магнитном поле магнитная индукция в каждой точке поля имеет одинаковое значение и направление. Однородным может считаться поле в воздушном зазоре между разноименными полюсами магнита или электромагнита (см.рис.36) при некотором удалении от его краев. Магнитный поток Ф, проходящий через какую-либо поверхность, определяется общим числом магнитных силовых линий, пронизывающих эту поверхность, например катушку 1 (рис. 37, а), следовательно, в однородном магнитном поле
Ф = BS (40)
где S - площадь поперечного сечения поверхности, через которую проходят магнитные силовые линии. Отсюда следует, что в таком поле магнитная индукция равна потоку, поделенному на площадь S поперечного сечения:
B = Ф /S (41)
Если какая-либо поверхность расположена наклонно по отношению к направлению магнитных силовых линий (рис. 37, б), то пронизывающий ее поток будет меньше, чем при перпендикулярном ее положении, т. е. Ф 2 будет меньше Ф 1 .
В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб), эта единица имеет размерность В*с (вольт-секунда). Магнитная индукция в системе единиц СИ измеряется в теслах (Тл); 1 Тл = 1 Вб/м 2 .
Магнитная проницаемость.
Магнитная индукция зависит не только от силы тока, проходящего по прямолинейному проводнику или катушке, но и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, служит абсолютная магнитная проницаемость? а. Единицей ее измерения является генри на метр (1 Гн/м = 1 Ом*с/м).
В среде с большей магнитной проницаемостью электрический ток определенной силы создает магнитное поле с большей индукцией. Установлено, что магнитная проницаемость воздуха и всех веществ, за исключением ферромагнитных материалов (см. § 18), имеет примерно то же значение, – что и магнитная проницаемость вакуума. Абсолютную магнитную проницаемость вакуума называют магнитной постоянной, ? о = 4?*10 -7 Гн/м. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов в тысячи и даже десятки тысяч раз больше магнитной проницаемости неферромагнитных веществ. Отношение магнитной проницаемости? а какого-либо вещества к магнитной проницаемости вакуума? о называют относительной магнитной проницаемостью:
? = ? а /? о (42)
Напряженность магнитного поля. Напряженность И не зависит от магнитных свойств среды, но учитывает влияние силы тока и формы проводников на интенсивность магнитного поля в данной точке пространства. Магнитная индукция и напряженность связаны отношением
H = B/? а = B/(?? о) (43)
Следовательно, в среде с неизменной магнитной проницаемостью индукция магнитного поля пропорциональна его напряженности.
Напряженность магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м) или амперах на сантиметр (А/см).
Согласно современным представлениям, образовалась примерно 4,5 млрд лет назад, и с этого момента нашу планету окружает магнитное поле. Все, что находится на Земле, в том числе люди, животные и растения, подвергаются его воздействию.
Магнитное поле простирается до высоты около 100 000 км (рис. 1). Оно отклоняет или захватывает частицы солнечного ветра, губительные для всех живых организмов. Эти заряженные частицы образуют радиационный пояс Земли, а вся область околоземного пространства, в которой они находятся, называют магнитосферой (рис. 2). С освещенной Солнцем стороны Земли магнитосфера ограничена сферической поверхностью с радиусом примерно 10-15 радиусов Земли, а с противоположной стороны она вытянута подобно кометному хвосту на расстояние вплоть до нескольких тысяч радиусов Земли, образуя геомагнитный хвост. Магнитосфера отделена от межпланетного поля переходной областью.
Магнитные полюса Земли
Ось земного магнита наклонена по отношению к оси вращения Земли на 12°. Она располагается примерно на 400 км в стороне от центра Земли. Точки, в которых эта ось пересекает поверхность планеты, - магнитные полюса. Магнитные полюсаЗемли не совпадают с истинными географическими полюсами. В настоящее время координаты магнитных полюсов следующие: северный — 77° с.ш. и 102° з.д.; южный — (65° ю.ш. и 139° в.д.).
Рис. 1. Строение магнитного поля Земли
Рис. 2. Строение магнитосферы
Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, называются магнитными меридианами . Между магнитным и географическим меридианом образуется угол, называемый магнитным склонением . Каждое место на Земле имеет свой угол склонения. В районе Москвы угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске — около 17° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на Т вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске — на 17° влево от соответствующего меридиана.
Свободно подвешенная магнитная стрелка располагается горизонтально только на линии магнитного экватора, который не совпадает с географическим. Если двигаться к северу от магнитного экватора, то северный конец стрелки будет постепенно опускаться. Угол, образованный магнитной стрелкой и горизонтальной плоскостью, называют магнитным наклонением . На Северном и Южном магнитных полюсах магнитное наклонение наибольшее. Оно равно 90°. На Северном магнитном полюсе свободно подвешенная магнитная стрелка установится вертикально северным концом вниз, а на Южном магнитном полюсе ее южный конец опустится вниз. Таким образом, магнитная стрелка показывает направление силовых линий магнитного ноля над земной поверхностью.
С течением времени положение магнитных полюсов относительно по земной поверхности меняется.
Магнитный полюс был открыт исследователем Джеймсом К. Россом в 1831 г. в сотнях километров от его нынешнего местонахождения. В среднем за один год он перемещается на 15 км. В последние годы скорость перемещения магнитных полюсов резко возросла. Например, Северный магнитный полюс сейчас перемещается со скоростью около 40 км в год.
Смена магнитных полюсов Земли называется инверсией магнитного поля .
На протяжении геологической истории нашей планеты земное магнитное поле изменяло свою полярность более 100 раз.
Магнитное поле характеризуется напряженностью. В некоторых местах Земли магнитные силовые линии отклоняются от нормального поля, образуя аномалии. Например, в районе Курской магнитной аномалии (КМА) напряженность поля в четыре раза выше нормы.
Существуют суточные изменения магнитного поля Земли. Причина этих изменений магнитного поля Земли — электриче- с кие токи, текущие в атмосфере на большой высоте. Вызваны они солнечным излучением. Пол действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров. Основной же причиной возникновения солнечного ветра, как мы уже знаем, являются грандиозные выбросы вещества из короны Солнца. При движении к Земле они превращаются в магнитные облака и приводят к сильным, иногда экстремальным возмущениям на Земле. Особенно сильные возмущения магнитного поля Земли - магнитные бури. Некоторые магнитные бури начинаются неожиданно и почти одновременно по всей Земле, а другие развиваются постепенно. Они могут продолжаться несколько часов и даже суток. Часто магнитные бури происходят через 1-2 дня после солнечной вспышки из-за прохождения Земли через поток частиц, выброшенных Солнцем. Исходя из времени запаздывания скорость такого корпускулярного потока оценивают в несколько миллионов км/ч.
Во время сильных магнитных бурь нарушается нормальная работа телеграфа, телефона и радио.
Магнитные бури часто наблюдаются на широте 66-67° (в зоне полярных сияний) и возникают одновременно с полярными сияниями.
Строение магнитного поля Земли меняется в зависимости от широты местности. Проницаемость магнитного поля увеличивается в сторону полюсов. Над полярными областями силовые линии магнитного поля более или менее перпендикулярны земной поверхности и имеют воронкообразную конфигурацию. Через них часть солнечного ветра с дневной стороны проникает в магнитосферу, а затем и в верхнюю атмосферу. Сюда же в период магнитных бурь устремляются частицы из хвостовой части магнитосферы, достигая границ верхней атмосферы в высоких широтах Северного и Южного полушарий. Именно эти заряженные частицы вызывают здесь полярные сияния.
Итак, магнитные бури и суточные изменения магнитного ноля объясняются, как мы уже выяснили, солнечным излучением. Но какова основная причина, создающая постоянный магнетизм Земли? Теоретически удалось доказать, что на 99 % магнитное поле Земли вызывают источники, скрытые внутри планеты. Главное магнитное поле обусловлено источниками, расположенными в глубинах Земли. Их можно условно разделить на две группы. Основная их часть связана с процессами в земном ядре, где вследствие непрерывных и регулярных перемещений электропроводящего вещества создается система электрических токов. Другая — связана с тем, что горные породы земной коры, намагничиваясь главным электрическим полем (полем ядра), создают собственное магнитное поле, которое суммируется с магнитным полем ядра.
Кроме магнитного поля вокруг Земли существуют и другие поля: а) гравитационное; б) электрическое; в) тепловое.
Гравитационным полем Земли называют поле силы тяжести. Она направлена по отвесу перпендикулярно к поверхности геоида. Если бы у Земли была фигура эллипсоида вращения и в нем равномерно распределялись бы массы, то у нее было нормальное гравитационное поле. Разница между напряженностью реального гравитационного поля и теоретического — аномалия тяжести. Различный вещественный состав, плотность горных пород вызывают эти аномалии. Но возможны и другие причины. Их можно объяснить следующим процессом — уравновешение твердой и относительно легкой земной коры на более тяжелой верхней мантии, где и происходит выравнивание давления вышележащих слоев. Эти течения вызывают тектонические деформации, движение литосферных плит и тем самым создают макрорельеф Земли. Сила тяжести удерживает атмосферу, гидросферу, людей, животных на Земле. Силу тяжести нужно обязательно учитывать при изучении процессов в географической оболочке. Термином «геотропизм » называют ростовые движения органов растений, которые под влиянием силы земного тяготения всегда обеспечивают вертикальное направление роста первичного корня перпендикулярно поверхности Земли. Гравитационная биология использует растения в качестве экспериментальных объектов.
Если не учитывать силу тяжести, невозможно рассчитать исходные данные для запуска ракет и космических кораблей, сделать гравиметрическую разведку рудных ископаемых и, наконец, невозможно дальнейшее развитие астрономии, физики и других наук.
