Представление о магнитном поле / Хабр
Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.
За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.
В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.
Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.
Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.
Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.
Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.
Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле. Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.
Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.
Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:
Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).
А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.
Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.
Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.
Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:
При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.
Модель магнитного поля движущегося заряда
Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.
Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.
Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.
Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.
А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.
Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу. Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».
Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.
И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.
Спин
У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).
Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.
Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.
Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.
Физика 9 кл. Магнитное поле и его графическое изображение
- Подробности
- Просмотров: 65
42. Магнитное поле и его графическое изображение
1. Чем порождается магнитное поле?
Магнитное поле порождается электрическим током.
Магнитное поле существует и вокруг металлического проводника с током.
При этом ток создается электронами, направленно движущимися вдоль проводника.
Магнитное поле возникает и в том случае, когда ток проходит через раствор электролита, где носителями зарядов являются положительно и отрицательно заряженные ионы, движущиеся навстречу друг другу.
Поскольку электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, то можно сказать, что магнитное поле создается движущимися заряженными частицами, как положительными, так и отрицательными.
2. Чем создается магнитное поле постоянного магнита?
Согласно гипотезе Ампера в атомах и молекулах вещества в результате движения электронов возникают элементарные кольцевые токи.
В магнитах эти элементарные кольцевые токи ориентированы одинаково.
Магнитные поля, образующиеся вокруг каждого такого тока, имеют одинаковые направления.
Эти поля усиливают друг друга, создавая поле внутри и вокруг магнита.
3. Что такое магнитные линии?
Для наглядного представления магнитного поля пользуются магнитными линиями (иначе линиями магнитного поля).
Магнитные линии — это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле.
Магнитную линию можно провести через любую точку пространства, в котором существует магнитное поле.
Картина магнитных линий прямого проводника с током представляет собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику.
4. Как располагаются магнитные стрелки в магнитном поле, линии которого прямолинейны? криволинейны?
Магнитная линия (как прямолинейная, так и криволинейная) проводится так, чтобы в любой точке этой линии касательная к ней совпадала с осью магнитной стрелки, помещенной в эту точку.
5. Что принимают за направление магнитной линии в какой-либо ее точке?
За направление магнитной линии в какой-либо ее точке условно принимают направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещенной в эту точку.
6. Как с помощью магнитных линий можно показать, что в одной области пространства поле сильнее, чем в другой?
В тех областях пространства, где магнитное поле более сильное, магнитные линии изображают ближе друг к другу, т. е. гуще, чем в тех местах, где поле слабее.
7. О чем можно судить по картине линий магнитного поля?
По картине магнитных линии можно судить не только о направлении, но и о величине магнитного поля, т. е. о том, в каких точках пространства поле действует на магнитную стрелку с большей силой, а в каких — с меньшей.
Следующая страница — смотреть
Назад в «Оглавление» — смотреть
Понятие поля возникло как обходной маневр: мы можем определить математические закономерности, управляющие силовыми отношениями между токами (магнитное поле), между зарядами (электрическое поле), между массами (гравитационное поле и полене силс инерции), но не знаем, из чего «это» состоит. Идею «эфира» наука решила считать избыточной. Впрочем, понятие «физический вакуум» означает то же самое. Однако, развитие экспериментальных данных о строении вещества заставляет искать ответ на вопрос «из чего состоит». Так, когда стало ясно, что вещество состоит из заряженных электронов и заряженных ядер, а электроны имеют спиновый и орбитальный моменты (то есть, они являются токами), и могут в металлах перемещаться свободно, то некоторые парадоксы теории перестали быть парадоксами. Например, индукция в диске Фарадея. Одно дело объяснять на уровне мыслительных абстракций (вектор магнитной индукции поперек диска, скорость вращения диска ему перпендикулярна и т.д., и дальше барахтаемся, откуда индукция, если магнитное поле не меняется во времени). Совсем другое — понимать физический смысл процесса, а для этого надо знать, что из чего состоит. И тогда все проще: магнитный момент означает, что токи электронов в среднем сонаправлены и лежат в плоскости диска. Посколь мгновенная линейная скорость вращения этих токов всегда в точности равна скорости света (скорость электромагнитного импульса), то при вращении диска изменится радиальное распределение токов электронов; возникнет радиальная индукция. В случае электромагнитного поля уже можно ответить, что ИЗМЕНЕНИЕ поля состоит из бозонов: фотонов, частиц со спином единица. В веществе часть поля состоит из заряженных частиц фермионов: протонов и электронов. При этом частица, имеющая заряд, обязательно является током (имеет спин). Остается вопрос: из его состоит остальная часть поля, та самая, которая «в пустоте». Думаю, ответ на самом деле очевиден, но его принятие требует изменить само представление о пустоте. Если пустота это «не-частица» поля (не протон, не электрон), а для единства описания поле обязано состоять из фермионов не только в частицах, а его изменения описываются бозонами… то в стандартной модели есть всего одна подходящая частица. Нейтрино. Только тогда надо вернуться к представлению о том, что пустоты (вакуума) «вообще» не бывает. Есть конкретная пустота (пустота электрона = нейтрино). Нейтрино приобретает отрицательный заряд, становится электроном. При этом в так называемой пустоте (нейтринном веществе, оно же поле) возникает «дырка» это пи-плюс мезон. Дырка может стабилизироваться, это протон. При такой интерпретации понятно, что надо дальше изучать. Свойства нейтрино.
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: взаимодействие магнитов, магнитное поле проводника с током.
Магнитные свойства вещества известны людям давно. Магниты получили своё название от античного города Магнесия: в его окрестностях был распространён минерал (названный впоследствии магнитным железняком или магнетитом), куски которого притягивали железные предметы.
Взаимодействие магнитов
На двух сторонах каждого магнита расположены северный полюс и южный полюс. Два магнита притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами и отталкиваются одноимёнными. Магниты могут действовать друг на друга даже сквозь вакуум! Всё это напоминает взаимодействие электрических зарядов, однако взаимодействие магнитов не является электрическим. Об этом свидетельствуют следующие опытные факты.
• Магнитная сила ослабевает при нагревании магнита. Сила же взаимодействия точечных зарядов не зависит от их температуры.
• Магнитная сила ослабевает, если трясти магнит. Ничего подобного с электрически заряженными телами не происходит.
• Положительные электрические заряды можно отделить от отрицательных (например, при электризации тел). А вот разделить полюса магнита не получается: если разрезать магнит на две части, то в месте разреза также возникают полюса, и магнит распадается на два магнита с разноимёнными полюсами на концах (ориентированных точно так же, как и полюса исходного магнита).
Таким образом, магниты всегда двухполюсные, они существуют только в виде диполей. Изолированных магнитных полюсов (так называемых магнитных монополей — аналогов электрического заряда)в при роде не существует (во всяком случае, экспериментально они пока не обнаружены). Это, пожалуй, самая впечатляющая асимметрия между электричеством и магнетизмом.
• Как и электрически заряженные тела, магниты действуют на электрические заряды. Однако магнит действует только на движущийся заряд; если заряд покоится относительно магнита, то действия магнитной силы на заряд не наблюдается. Напротив, наэлектризованное тело действует на любой заряд ,вне зависимости от того, покоится он или движется.
По современным представлениям теории близкодействия, взаимодействие магнитов осуществляется посредством магнитного поля.А именно, магнит создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, которое действует на другой магнит и вызывает видимое притяжение или отталкивание этих магнитов.
Примером магнита служит магнитная стрелка компаса. С помощью магнитной стрелки можно судить о наличии магнитного поля в данной области пространства, а также о направлении поля.
Наша планета Земля является гигантским магнитом. Неподалёку от северного географического полюса Земли расположен южный магнитный полюс. Поэтому северный конец стрелки компаса, поворачиваясь к южному магнитному полюсу Земли, указывает на географический север. Отсюда, собственно, и возникло название «северный полюс» магнита.
Линии магнитного поля
Электрическое поле, напомним, исследуется с помощью маленьких пробных зарядов, по действию на которые можно судить о величине и направлении поля. Аналогом пробного заряда в случае магнитного поля является маленькая магнитная стрелка.
Например, можно получить некоторое геометрическое представление о магнитном поле, если разместить в разных точках пространства очень маленькие стрелки компаса. Опыт показывает, что стрелки выстроятся вдоль определённых линий —так называемых линий магнитного поля . Дадим определение этого понятия в виде следующих трёх пунктов.
1. Линии магнитного поля, или магнитные силовые линии — это направленные линии в пространстве, обладающие следующим свойством: маленькая стрелка компаса, помещённая в каждой точке такой линии, ориентируется по касательной к этой линии.
2. Направлением линии магнитного поля считается направление северных концов стрелок компаса, расположенных в точках данной линии.
3. Чем гуще идут линии, тем сильнее магнитное поле в данной области пространства.
Роль стрелок компаса с успехом могут выполнять железные опилки: в магнитном поле маленькие опилки намагничиваются и ведут себя в точности как магнитные стрелки.
Так, насыпав железных опилок вокруг постоянного магнита, мы увидим примерно следующую картину линий магнитного поля (рис. 1).
Рис. 1. Поле постоянного магнита
Северный полюс магнита обозначается синим цветом и буквой ; южный полюс — красным цветом и буквой . Обратите внимание, что линии поля выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс: ведь именно к южному полюсу магнита будет направлен северный конец стрелки компаса.
Опыт Эрстеда
Несмотря на то, что электрические и магнитные явления были известны людям ещё с античности, никакой взаимосвязи между ними долгое время не наблюдалось. В течение нескольких столетий исследования электричества и магнетизма шли параллельно и независимо друг от друга.
Тот замечательный факт, что электрические и магнитные явления на самом деле связаны друг с другом, был впервые обнаружен в 1820 году — в знаменитом опыте Эрстеда.
Схема опыта Эрстеда показана на рис. 2 (изображение с сайта rt.mipt.ru). Над магнитной стрелкой ( и — северный и южный полюсы стрелки) расположен металлический проводник, подключённый к источнику тока. Если замкнуть цепь, то стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику!
Этот простой опыт прямо указал на взаимосвязь электричества и магнетизма. Эксперименты последовавшие за опытом Эрстеда, твёрдо установили следующую закономерность: магнитное поле порождается электрическими токами и действует на токи.
Рис. 2. Опыт Эрстеда
Картина линий магнитного поля, порождённого проводником с током, зависит от формы проводника.
Магнитное поле прямого провода с током
Линии магнитного поля прямолинейного провода с током являются концентрическими окружностями. Центры этих окружностей лежат на проводе, а их плоскости перпендикулярны проводу (рис. 3).
Рис. 3. Поле прямого провода с током
Для определения направления линий магнитного поля прямого тока существуют два альтернативных правила.
Правило часовой стрелки . Линии поля идут против часовой стрелки, если смотреть так, чтобы ток тёк на нас.
Правило винта (или правило буравчика, или правило штопора — это уж кому что ближе ;-)). Линии поля идут туда, куда надо вращать винт (с обычной правой резьбой), чтобы он двигался по резьбе в направлении тока.
Пользуйтесь тем правилом, которое вам больше по душе. Лучше привыкнуть к правилу часовой стрелки — вы сами впоследствии убедитесь, что оно более универсально и им проще пользоваться (а потом с благодарностью вспомните его на первом курсе, когда будете изучать аналитическую геометрию).
На рис. 3 появилось и кое-что новое: это вектор , который называется индукцией магнитного поля, или магнитной индукцией. Вектор магнитной индукции является аналогом вектора напряжённости электрического поля: он служит силовой характеристикой магнитного поля, определяя силу, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряды.
О силах в магнитном поле мы поговорим позже, а пока отметим лишь, что величина и направление магнитного поля определяется вектором магнитной индукции . В каждой точке пространства вектор направлен туда же,куда и северный конец стрелки компаса, помещённой в данную точку, а именно по касательной к линии поля в направлении этой линии. Измеряется магнитная индукция в теслах (Тл).
Как и в случае электрического поля, для индукции магнитного поля справедлив принцип суперпозиции. Он заключается в том, что индукции магнитных полей , создаваемых в данной точке различными токами, складываются векторно и дают результирующий вектор магнитной индукции: .
Магнитное поле витка с током
Рассмотрим круговой виток, по которому циркулирует постоянный ток . Источник,создающий ток, мы на рисунке не показываем.
Картина линий поля нашего витка будет иметь приблизительно следующий вид (рис. 4).
Рис. 4. Поле витка с током
Нам будет важно уметь определять, в какое полупространство (относительно плоскости витка) направлено магнитное поле. Снова имеем два альтернативных правила.
Правило часовой стрелки. Линии поля идут туда, глядя откуда ток кажется циркулирующим против часовой стрелки.
Правило винта. Линии поля идут туда, куда будет перемещаться винт (с обычной правой резьбой), если вращать его в направлении тока.
Как видите, ток и поле меняются ролями — по сравнению с формулировками этих правил для случая прямого тока.
Магнитное поле катушки с током
Катушка получится, если плотно, виток к витку, намотать провод в достаточно длинную спираль (рис. 5 — изображение с сайта en.wikipedia.org). В катушке может быть несколько десятков, сотен или даже тысяч витков. Катушка называется ещё соленоидом.
Рис. 5. Катушка (соленоид)
Магнитное поле одного витка, как мы знаем, выглядит не очень-то просто. Поля? отдельных витков катушки накладываются друг на друга, и, казалось бы, в результате должна получиться совсем уж запутанная картина. Однако это не так: поле длинной катушки имеет неожиданно простую структуру (рис. 6).
Рис. 6. поле катушки с током
На этом рисунке ток в катушке идёт против часовой стрелки, если смотреть слева (так будет, если на рис. 5 правый конец катушки подключить к «плюсу» источника тока, а левый конец — к «минусу»). Мы видим, что магнитное поле катушки обладает двумя характерными свойствами.
1. Внутри катушки вдали от её краёв магнитное поле является однородным : в каждой точке вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению. Линии поля — параллельные прямые; они искривляются лишь вблизи краёв катушки, когда выходят наружу.
2. Вне катушки поле близко к нулю. Чем больше витков в катушке — тем слабее поле снаружи неё.
Заметим, что бесконечно длинная катушка вообще не выпускает поле наружу: вне катушки магнитное поле отсутствует. Внутри такой катушки поле всюду является однородным.
Ничего не напоминает? Катушка является «магнитным» аналогом конденсатора. Вы же помните, что конденсатор создаёт внутри себя однородное электрическое поле, линии которого искривляются лишь вблизи краёв пластин, а вне конденсатора поле близко к нулю; конденсатор с бесконечными обкладками вообще не выпускает поле наружу, а всюду внутри него поле однородно.
А теперь — главное наблюдение. Сопоставьте, пожалуйста, картину линий магнитного поля вне катушки (рис. 6) с линиями поля магнита на рис. 1. Одно и то же, не правда ли? И вот мы подходим к вопросу, который, вероятно, у вас уже давно возник: если магнитное поле порождается токами и действует на токи, то какова причина возникновения магнитного поля вблизи постоянного магнита? Ведь этот магнит вроде бы не является проводником с током!
Гипотеза Ампера. Элементарные токи
Поначалу думали, что взаимодействие магнитов объясняется особыми магнитными зарядами, сосредоточенными на полюсах. Но, в отличие от электричества, никто не мог изолировать магнитный заряд; ведь, как мы уже говорили, не удавалось получить по отдельности северный и южный полюс магнита — полюса всегда присутствуют в магните парами.
Сомнения насчёт магнитных зарядов усугубил опыт Эрстеда, когда выяснилось, что магнитное поле порождается электрическим током. Более того, оказалось, что для всякого магнита можно подобрать проводник с током соответствующей конфигурации, такой, что поле этого проводника совпадает с полем магнита.
Ампер выдвинул смелую гипотезу. Нет никаких магнитных зарядов. Действие магнита объясняется замкнутыми электрическими токами внутри него.
Что это за токи? Эти элементарные токи циркулируют внутри атомов и молекул; они связаны с движением электронов по атомным орбитам. Магнитное поле любого тела складывается из магнитных полей этих элементарных токов.
Элементарные токи могут быть беспорядочным образом расположены друг относительно друга. Тогда их поля взаимно погашаются, и тело не проявляет магнитных свойств.
Но если элементарные токи расположены согласованно,то их поля,складываясь,усиливают друг друга. Тело становится магнитом (рис. 7; магнитое поле будет направлено на нас; также на нас будет направлен и северный полюс магнита).
Рис. 7. Элементарные токи магнита
Гипотеза Ампера об элементарных токах прояснила свойства магнитов.Нагревание и тряска магнита разрушают порядок расположения его элементарных токов, и магнитные свойства ослабевают. Неразделимость полюсов магнита стала очевидной: в месте разреза магнита мы получаем те же элементарные токи на торцах. Способность тела намагничиваться в магнитном поле объясняется согласованным выстраиванием элементарных токов, «поворачивающихся» должным образом (о повороте кругового тока в магнитном поле читайте в следующем листке).
Гипотеза Ампера оказалась справедливой — это показало дальнейшее развитие физики. Представления об элементарных токах стали неотъемлемой частью теории атома, разработанной уже в ХХ веке — почти через сто лет после гениальной догадки Ампера.
Вопросы § 34 » ГДЗ (решебник) по физике 7-11 классов
1.Что является источником магнитного поля?
Магнитное поле порождается электрическим током (направленным движением заряженных частиц).
2. Чем создаётся магнитное поле постоянного магнита?
Магнитное поле постоянного магнита создается за счет того, что внутренние кольцевые токи в нем ориентированы одинаково и усиливают друг друга.
3. Что такое магнитные линии? Что принимают за их направление в какой-либо её точке?
Магнитные линии или линии магнитного поля — используемые для наглядности воображаемые линии — направление которых в каждой точке совпадает с направлением маленькой магнитной стрелки, помещенной в магнитное поле.
4. Как располагаются магнитные стрелки в магнитном поле, линии которого прямолинейны; криволинейны?
В магнитном поле с прямолинейными и криволинейными линиями стрелки будут располагаться по касательной к магнитным линиям.
5. О чём можно судить по картине линий магнитного поля?
О направлении и величине магнитного поля.
6. Какое магнитное поле — однородное или неоднородное — образуется вокруг полосового магнита; вокруг прямолинейного проводника с током; внутри соленоида, длина которого значительно больше его диаметра?
Неоднородное магнитное поле: вокруг полосового магнита и прямолинейного проводника с током. Однородное магнитное поле: внутри соляноида.
7. Что можно сказать о модуле и направлении силы, действующей на магнитную стрелку в разных точках неоднородного магнитного поля; однородного магнитного поля?
Сила, действующая на магнитную стрелку в однородном поле, в разных точках имеет одинаковый модуль и направление. В неоднородном поле они различны.
8. Чем отличается расположение магнитных линий в неоднородном и однородном магнитных полях?
В однородном поле магнитные линии расположены параллельно друг другу и с одинаковой густотой. В неоднородном магнитном поле их густота и их направления могут отличаются, однако они никогда не пересекаются.
В данной статье вы узнаете что такое магнитное поле, как его измерить, а так же поговорим про источники магнитных полей и подробно рассмотрим закон Био-Савара-Лапласа.
Определение магнитного поля
Магнитное поле связано с понятием магнитной силы. Знание магнитного поля вокруг объекта (а также внутри него) позволяет нам определить величину силы, действующей на движущийся заряд или магнит, помещенный в его окружение.
Большинство из вас точно знают о магнетизме и знают, что два намагниченных объекта взаимодействуют друг с другом. Мы знаем, что когда мы объединяем два магнита, в зависимости от их взаимного расположения, я могу притягивать (когда противоположные полюса находятся близко друг к другу) или отталкивать (когда одинаковые полюса близко друг к другу). Зная поле от одного магнита и положение другого, вы можете точно рассчитать эту силу. Магнитное поле чаще всего представлено графически одним из двух способов:
- Магнитное поле, с математической точки зрения, является векторным полем . Это означает, что каждой точке пространства назначен вектор, который мы можем проиллюстрировать стрелкой с правильным направлением и длиной. Направление говорит нам, как бы подходила стрелка магнита, расположенная в данной точке, тогда как длина пропорциональна величине силы, которая будет действовать на находящийся там объект. Желая «увидеть» магнитное поле, мы могли бы просто положить множество крошечных компасов вокруг исследуемого магнита и наблюдать за расположением их стрелок. Тем не менее, мы должны помнить, что это не даст нам информацию о значении поля (насколько оно сильное), а только о его направлении.
2. Другой способ проиллюстрировать магнитное поле — это использовать силовые линии . Вместо того, чтобы рисовать много маленьких стрелок, в этом случае мы используем непрерывные линии. Насколько плотно мы их рисуем, зависит от нас.
Линии поля характеризуются следующими свойствами:
- Магнитные силовые линии никогда не пересекаются.
- Плотность линий поля больше в областях, где поле сильнее. Таким образом, на основе чертежа вы можете узнать значение поля (насколько оно сильное) в данной точке.
- Линии поля не заканчиваются и не начинаются в любой точке; они всегда образуют замкнутые петли, которые проходят через материал, являющийся источником поля.
- Чтобы полностью проиллюстрировать магнитное поле, необходимо указать возврат, в котором вектор поля направлен в данную точку. Обычно это делается путем рисования стрелок на линиях стрелок. Однако есть еще один метод, который использует понятие полюсов. По историческим причинам область, из которой «выходят» силовые линии, называется Северным полюсом (N), а та, в которую они «входят» — Южным полюсом (S). В этом правиле линии всегда направлены с севера на юг. Буквы «N» и «S» обычно располагаются по краям магнита, но это всего лишь вопрос принятия — на самом деле ничто не отличает эти крайние точки.
- Линии поля на самом деле легко показать. Обычно это делается с помощью железных опилок, разбросанных по поверхности (например, по листу бумаги) вокруг магнита. Каждый кусок металла ведет себя как маленький магнит с северным и южным полюсами (и, следовательно, также как магнитная стрелка). Опилки спонтанно удаляются друг от друга, потому что, будучи намагниченными, они отталкивают друг друга. В конечном итоге они образуют узор, представляющий магнитное поле (конечно, конечный эффект немного отличается, в зависимости от того, как распалась стружка, а также от их формы, массы и магнитных свойств).
Как измерить магнитное поле
В связи с тем, что магнитное поле является векторным полем, для того, чтобы полностью его описать, вам нужны как его интенсивность, так и направление. Направление поля относительно легко определить. Просто используйте компас — его стрелка установится в направлении магнитного поля Земли. Магнитные компасы известны и используются в навигации (с использованием магнитного поля Земли) с 11-го века. Измерение значений поля немного сложнее. Первые магнитометры появились только в 19 веке. Большинство из них были основаны на наблюдении за поведением электрона, помещенного в магнитное поле. Точные измерения слабых магнитных полей стали возможными только в 1988 году с открытием явления гигантского магнитосопротивления, которое наблюдалось в некоторых материалах со слоистой структурой. Это явление быстро нашло применение при конструировании жестких дисков, на которых сохраняются данные с компьютеров. Результат был значительным — емкость дисков увеличилась на целые порядки всего за несколько лет с момента появления новой технологии (примерно с 0,01 до 10 GB / см^2 ). Если вы хотите описать магнитное поле количественно (то есть, скажем, насколько оно сильное), мы должны указать, говорим ли мы о магнитной индукции В или о напряженности магнитного поля H. В системе СИ единицей магнитной индукции является тесла (символ T в честь Николы Теслы ). Значение магнитной индукции в теслах определяется величиной силы, которая будет влиять на нагрузку, движущуюся в исследуемом поле. Значение индукции магнитного поля, создаваемой средними магнитами на холодильник, составляет ~ 0,001 Т и магнитная индукция земного поля 5 * 10–5 Т. Другая, иногда используемая, единица — Гаусс (символ G). Преобразование единицы очень просто: 1 T = 10^4 G. На практике Гаусс часто используется, потому что поле магнитной индукции, равное 1 тесле, уже очень велико, и мы редко имеем дело с этим порядком величины. Альтернатива магнитной индукции В величина напряженности магнитного поля H. Оба, как векторы, направлены вдоль силовых линий, принимая другие значения внутри магнитных материалов. В некоторых сложных случаях величина H это полезно, но для наших целей B будет вполне достаточно.
Источники магнитных полей
Перейдем теперь к принципам, описывающим метод формирования магнитного поля в окрестности движущихся электрических зарядов и токов. Самая основная зависимость — это закон, описывающий величину и направление магнитного поля, создаваемого движущимся точечным зарядом. Этот закон будет использован позже для получения закона Био — Савара — Лапласа, закона Ампера, закона Гаусса для магнитного поля и создает полезную альтернативную формулировку взаимосвязи между магнитными полями и их источниками.
Экспериментально показано, что значение B снова пропорционально q и 1/r2. Однако направление вектора B НЕ находится на прямой линии между точечным источником и точкой поля. С другой стороны, он перпендикулярен плоскости, определяемой этой прямой и скорости заряда v. Кроме того, значение поля пропорционально синусу угла между этими двумя направлениями
Мы можем записать эту зависимость более компактным способом, используя произведение вектора v на единичный вектор. Мы получаем здесь окончательное выражение в поле B в виде
μ0 — магнитная проницаемость вакуума, которая имеет значение
Когда мы изменяем угол наблюдения поля B на фиксированном расстоянии R от движущегося заряда, тогда изменения могут быть представлены как в анимации:
Поверхности с одинаковым значением и направлением поля B вокруг движущейся нагрузки могут быть представлены в виде системы коаксиальных оболочек
Конечно, не имеет значения, перемещается ли нагрузка относительно наблюдателя или наблюдатель относительно нагрузки. Простое объяснение вышесказанного:
Наэлектризованный кот создает магнитное поле B, когда он проходит мимо вас, а также когда вы проходите мимо спящего кота.
Поверхности с постоянным значением B могут быть представлены более ярко, как показано на анимации ниже
В конце мы можем записать выражение для магнитной силы F, действующей между двумя нагрузками, точка движется относительно наблюдателя от скорости V и V’. Поскольку сила F будет силой Лоренца, в которой поле B исходит от движущегося груза, мы можем написать
Таким образом, искомая сила выражается уравнением
где r — расстояние между двумя движущимися грузами.
Магнитное поле проводника с током
В проводнике с током каждый движущийся электрон создает вокруг себя магнитную «оболочечную» систему. Поскольку эти оболочки расположены близко друг к другу, проводник окружен цилиндрическим полем B. Поверхности с постоянным значением B образуют систему, которая больше не требует оболочек, а только коаксиальных цилиндров.
Направления тока I и вектора B, который генерирует этот ток, соответствуют правилу правой руки: большой палец указывает направление тока, а оставшиеся пальцы показывают, как поле B окружает направляющую
Если проводник с током I делится на бесконечно короткие отрезки длиной d 1 , то в каждом из них заряд dq будет двигаться, а на расстоянии r, магнитное поле этого отрезка тока d, B будет
Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев
Темы кодификатора ЕГЭ: электромагнитное поле.
Вспомним, каким образом Максвелл объяснил явление электромагнитной индукции. Переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле. Если в переменном магнитном поле находится замкнутый проводник, то вихревое электрическое поле приводит в движение заряженные частицы этого проводника — так возникает индукционный ток, наблюдаемый в эксперименте.
Линии вихревого электрического поля охватывают линии магнитного поля. Если смотреть с конца вектора , то линии вихревого электрического поля идут по часовой стрелке при возрастании магнитного поля и против часовой стрелки при убывании магнитного поля. Такое направление вихревого электрического поля, напомним, задаёт направление индукционного тока в соответствии с правилом Ленца.
Таким способом Максвелл объяснил, почему в экспериментах Фарадея появлялся индукционный ток. Но затем Максвелл пошёл ещё дальше и уже без какой-либо опоры на экспериментальные данные высказал симметричную гипотезу: переменное электрическое поле порождает магнитное поле (рис. 1, 2).
Рис. 1. Симметричная гипотеза Максвелла (возрастание поля)
Линии этого магнитного поля охватывают линии переменного электрического поля и идут в другую сторону по сравнению с линиями вихревого электрического поля. Так, при возрастании электрического поля линии порождаемого магнитного поля направлены против часовой стрелки, если смотреть с конца вектора (рис. 1, справа).
Рис. 2. Симметричная гипотеза Максвелла (убывание поля)
Наоборот, при убывании электрического поля линии порождаемого магнитного поля идут по часовой стрелке (рис. 2, справа).
У электрического поля может быть два источника: электрические заряды и переменное магнитное поле. В первом случае линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.
Во втором случае электрическое поле является вихревым — его линии оказываются замкнутыми.
У магнитного поля также может быть два источника: электрический ток и переменное электрическое поле. При этом линии магнитного поля замкнуты в обоих случаях (оно всегда вихревое). Максвелл предположил, что оба источника магнитного поля равноправны в следующем смысле. Рассмотрим, например, процесс зарядки конденсатора (рис. 3):
Рис. 3. Магнитное поле внутри конденсатора совпадает с магнитным полем тока
В данный момент по проводам, соединяющим обкладки конденсатора, течёт ток . Заряд конденсатора увеличивается, и, соответственно, возрастает электрическое поле между обкладками. Это переменное электрическое поле порождает магнитное поле . Так вот, согласно гипотезе Максвелла магнитное поле внутри конденсатора оказывается точно таким же, как и магнитное поле тока — как если бы ток протекал в пространстве между обкладками конденсатора.
Подчеркнём ещё раз, что симметричная гипотеза Максвелла была поначалу чисто умозрительной. На тот момент не наблюдалось каких-либо неясных физических явлений, для объяснения которых потребовалась бы такая гипотеза. Лишь впоследствии (и уже после смерти Максвелла) она получила блестящее экспериментальное подтверждение. Об этом — чуть ниже.
Прежде всего, симметричная гипотеза указала на то, что электрическое и магнитное поля тесно взаимосвязаны. Они не являются обособленными физическими объектами и всегда существуют рядом друг с другом. Если в какой-то системе отсчёта электрическое (магнитное) поле отсутствует, то в другой системе отсчёта, движущейся относительно первой, оно непременно появится.
Допустим, например, что в движущемся автомобиле покоится электрический заряд. В системе отсчёта, связанной с автомобилем, этот заряд не создаёт магнитного поля. Но относительно земли заряд движется, а любой движущийся заряд является источником магнитного поля. Поэтому наблюдатель, стоящий на земле, зафиксирует магнитное поле, создаваемое зарядом в автомобиле.
Пусть также на земле лежит магнит. Наблюдатель, стоящий на земле, регистрирует постоянное магнитное поле, создаваемое этим магнитом; коль скоро это поле не меняется со временем, никакого электрического поля в земной системе отсчёта не возникает. Но относительно автомобиля магнит движется — приближается к автомобилю или удаляется от него. В системе отсчёта автомобиля магнитное поле меняется со временем — нарастает или убывает; наблюдатель в автомобиле фиксирует вихревое электрическое поле, порождаемое переменным магнитным полем нашего магнита.
Но все инерциальные системы отсчёта абсолютно равноправны, среди них нет какой-то одной привилегированной. Законы природы выглядят одинаково в любой инерциальной системе отсчёта, и никакой физический эксперимент не может отличить одну инерциальную систему отсчёта от другой (это — принцип относительности Эйнштейна, о котором пойдёт речь в листке «Принципы СТО»). Поэтому естественно считать, что электрическое поле и магнитное поле служат двумя различными проявлениями одного физического объекта — электромагнитного поля.
Таким образом, в произвольной, наудачу выбранной системе отсчёта будут присутствовать обе компоненты электромагнитного поля — поле электрическое и поле магнитное. Но может случиться и так, что в некоторой системе отсчёта, специально приспособленной для данной задачи, одна из этих компонент обратится в нуль. Мы видели это в наших примерах с автомобилем.
Электромагнитное поле можно наблюдать и исследовать по его действию на заряженные частицы. Силовой характеристикой электромагнитного поля является пара векторов и — напряжённость электрического поля и индукция магнитного поля. Сила, с которой электромагнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью , равна:
Силы в правой части нам хорошо известны. Сила действует со стороны электрического поля. Она не зависит от скорости заряда.
Сила действует со стороны магнитного поля. Её направление определяется по правилу часовой стрелки или левой руки, а модуль — по формуле , где — угол между векторами и .
Теория электромагнитного поля была создана Максвеллом. Он предложил свою знаменитую систему дифференциальных уравнений (уравнений Максвелла), которые позволяют найти векторы и в любой точке заданной области пространства по известным источникам — зарядам и токам (для однозначного нахождения полей необходимо знать ещё начальные условия — значения полей в начальный момент времени, а также граничные условия — некоторые условия для полей на границе рассматриваемой области). Уравнения Максвелла легли в основу электродинамики и позволили объяснить все известные на тот момент явления электричества и магнетизма. Но мало того — уравнения Максвелла дали возможность предсказывать новые явления!
Так, среди решений уравнений Максвелла обнаружились поля с неизвестными ранее свойствами — электромагнитные волны. А именно, уравнения Максвелла допускали решения в виде электромагнитного поля, которое может распространяться в пространстве, захватывая с течением времени все новые и новые области. Скорость этого распространения конечна и зависит от среды, заполняющей пространство. Но электромагнитные волны не нуждаются ни в какой среде — они могут распространяться даже сквозь пустоту. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме совпадает со скоростью света м/с ( сам свет также является электромагнитной волной).
Это был один из удивительных случаев в физике, когда фундаментальное открытие делалось «на кончике пера» — новое явление открывалось чисто теоретически, опережая эксперимент. Опытное подтверждение пришло позже: электромагнитные волны были впервые обнаружены в опытах Герца через восемь лет после смерти Максвелла. Эти опыты подтвердили справедливость симметричной гипотезы и основанной на ней теории электромагнитного поля, построенной Максвеллом.
Магнитное поле Земли — это магнитное поле, которое окружает Землю. Иногда его называют геомагнитным полем .
Магнитное поле Земли создается вращением Земли и ядра Земли. [1] Он защищает Землю от вредных частиц в космосе. Поле нестабильно и часто менялось в истории Земли. [2] Когда Земля вращается, две части ядра движутся с разными скоростями, и считается, что это создает магнитное поле вокруг Земли, как будто внутри нее находится большой стержневой магнит.
Магнитное поле создает магнитные полюса, которые находятся рядом с географическими полюсами. Компас использует геомагнитное поле, чтобы найти направление. Многие перелетные животные также используют поле, когда они путешествуют на большие расстояния каждую весну и осень. Магнитные полюса поменяются местами во время магнитного обращения. [3]
Геомагнитное поле Земли создается из-за двух вещей. Конвективные движения в жидком проводящем ядре в центре Земли важны для создания магнитного поля. [2] Когда происходят конвективные движения с электрическими токами вокруг Земли, создается магнитное поле. [2] Вращение Земли — это то, что поддерживает магнитное поле. Взаимодействие между конвективными движениями и электрическими токами создает эффект динамо.
Напряженность магнитного поля максимальна вблизи магнитных полюсов [1] , где оно расположено вертикально. Интенсивность поля является самой слабой вблизи экватора, где он расположен горизонтально.Напряженность магнитного поля измеряется в гауссах. [1]
За последние годы напряженность магнитного поля уменьшилась. За последние двадцать два года поле сократилось в среднем на 1,7%. [2] В некоторых областях поля прочность снизилась до 10%. [2] Быстрое уменьшение напряженности поля является признаком того, что магнитное поле может измениться. Разворот может произойти в ближайшие несколько тысяч лет. Было показано, что движение магнитных полюсов связано с уменьшением напряженности магнитного поля. [2]
Геомагнитное изменение — это когда северный магнитный полюс и южный магнитный полюс меняются местами. Это случалось несколько раз в истории Земли. Магнитное обращение происходит после того, как сила поля достигает нуля. [3] Когда сила снова начинает увеличиваться, она будет увеличиваться в противоположном направлении, вызывая изменение магнитных полюсов. [3] Время, за которое магнитное поле подвергается перевороту, неизвестно, но может длиться до десяти тысяч лет. [3] Магнитные изменения Земли зафиксированы в породах, особенно в базальте. Ученые полагали, что последнее геомагнитное обращение произошло 780 000 лет назад. [3]
Магнитосфера [изменить | изменить источник]
На этой фигуре показана магнитосфера, блокирующая солнечный ветер, вызванный солнцем.Магнитосфера создается магнитным полем. Это область вокруг Земли, которая действует как щит от вредных частиц солнечного ветра. [4] Магнитосфера имеет много различных слоев и структур, и солнечный ветер формирует каждый из этих слоев. [4] Взаимодействие солнечного ветра и магнитосферы также вызывает появление северного и южного сияния. [5] Магнитосфера очень важна для защиты Земли от солнечных бурь [4] , которые увеличивают активность солнечного ветра. Солнечные бури могут вызвать геомагнитные бури, которые иногда оказывают серьезное влияние на Землю.
Движение северного магнитного полюса. Ожидается, что он пройдет около северного географического полюса и продолжит свой путь в Сибирь.Области между северным и южным магнитными полюсами являются линиями магнитного поля.Эти линии покидают Землю из вертикальной точки юга и возвращаются через вертикальную точку севера. Эти две вертикальные точки называются магнитными полюсами падения. [1] Магнитные полюсы падения обычно называют магнитными полюсами. Магнитные полюса пересекают землю в двух точках. Северный магнитный полюс пересекает Землю на широте 78,3 Н и долготе 100 Вт. [6] Это помещает северный магнитный полюс в полярный круг. Южный магнитный полюс пересекает Землю на 78.3 S широты и 142 E долготы. [6] Это размещает южный магнитный полюс в Антарктиде. Магнитные полюса также там, где магнитные поля самые сильные. [2]
Как и другие магнитные поля, магнитное поле Земли имеет магнитные полюса.
Северный магнитный полюс — это точка на поверхности северного полушария Земли, где магнитное поле планеты направлено вертикально вниз. Есть только одно место, где это происходит, вблизи (но в отличие от) географического Северного полюса.
Его южным полушарием является Южный магнитный полюс. Поскольку магнитное поле Земли не совсем симметрично, линия, проведенная от одного к другому, не проходит через геометрический центр Земли.
Северный магнитный полюс движется во времени из-за магнитных изменений в ядре Земли. [7] В 2001 году он находился недалеко от острова Элсмир на севере Канады, под углом 81 ° 18′N 110 ° 48′W / 81,3 ° N 110,8 ° W / 81,3; -110,8 (Магнитный Северный полюс 2001). Предполагается, что с 2015 года полюс переместился на восток за пределы территориальной претензии Канадской Арктики до 86 ° 18′N 160 ° 00′W / 86.3 ° N 160,0 ° W / 86,3; -160,0 (Северный магнитный полюс, 2012 год). [8]
Северный и Южный магнитные полюсы Земли также известны как Магнитные наклонные полюса , что относится к вертикальному «провалу» линий магнитного поля в этих точках. [9]
Животные, которые подвергаются длительным миграциям, могут зависеть от магнитного поля для руководства. [5]
Некоторые перелетные животные знают свое местонахождение по интенсивности поля. [10] Они знают время из-за циркадных ритмов, которые производит поле.Мигрирующие животные рождаются с магнитной картой в голове, которая позволяет им безопасно перемещаться на большие расстояния. [11] Их способность чувствовать магнитное поле обусловлена магнитными частицами. У других животных есть химический компас, основанный на механизме радикальной пары. [12] [13]
- ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 Зверева Т.И. (2012). «Движение магнитных полюсов Земли в последнее десятилетие». Геомагнетизм и аэрономия . 52 (2): 278–286.
- ↑ 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 Дергачев В.А .; и другие. (2012). «Влияние геомагнитного поля и солнечной радиации на изменение климата». Геомагнетизм и аэрономия . 52 (8): 959–976.
- ↑ 3,0 3,1 3,2 3,3 3.4 Маркове, Марко С. (2011). «Как живые системы распознают приложенные электромагнитные поля». Эколог . 31 (2): 89–96.
- ↑ 4.0 4.1 4.2 Дергачев В.А .; и другие. (2011). «Связь между космическими лучами и изменениями в геомагнитном поле и климате Земли». Вестник Российской академии наук: физика . 75 (6): 847–850.
- ↑ 5.0 5,1 Михайлова Г.А. & Смирнов С.Е. (2011). «Влияние геомагнитных возмущений в околоземной атмосфере и возможный биофизический механизм их влияния на сердечно-сосудистую систему человека». Известия, Физика атмосферы и океана . 47 (7): 805–818.
- ↑ 6,0 6,1 Бертолотти, Марио (2012). «Магнитное поле Земли и геомагнитные эффекты». Небесные вестники: космические лучи: история научного приключения .Вселенная астрономов. Springer. стр. 75-103. ISBN 978-3-642-28370-3 .
- ↑ Merrill, Ronald T .; McElhinny, Michael W .; McFadden, Phillip L. (1996). «Глава 8». Магнитное поле Земли: палеомагнетизм, ядро и глубокая мантия . Академический през. ISBN 978-0-12-491246-5 .
- ↑ Всемирный центр данных по геомагнетизму, Киото. «Магнитный Север, Геомагнитные и Магнитные полюса». Получено 2012-07-03.
- № «Магнитный Северный полюс». Лаборатория магнитологии морского дна . Вудс Холл Океанографический институт. Получено в июне 2012 г.
- ↑ Скотт, Ребекка, Роберт Марш и Грэм С. Хейс (2012). «Небольшое движение, ориентированное на геомагнитное поле, сильно влияет на сильные потоки». Морская биология . 159 (3): 481–488. CS1 maint: несколько имен: список авторов (ссылка)
- ↑ Вильщицко, Вольфганг и Росвита Витчко (2005). «Магнитная ориентация и магниторецепция у птиц и других животных». Журнал сравнительной физиологии . 191 (8): 675–693.
- ↑ Gould J.L. (1984). «Чувствительность к магнитному полю у животных». Ежегодный обзор физиологии . 46 : 585–598.
- ↑ Lehikoinen, Алекси и Ким Яатинен (2011). «Задержка осенней миграции в северной европейской водоплавающей птице» (PDF). журнал орнитологии . 153 (2): 563–570. Получено 26 февраля 2013 г.
Магнитное поле — это область вокруг магнита, в которой присутствует магнитная сила. Движущиеся электрические заряды могут создавать магнитные поля. Магнитные поля могут быть проиллюстрированы линиями магнитного потока. Направление магнитного поля всегда указывается направлением линий магнитного потока. Сила магнита связана с промежутками между линиями магнитного потока. Чем ближе линии потока друг к другу, тем сильнее магнит.Чем дальше они, тем слабее. Линии потока можно увидеть, разместив железные опилки над магнитом. Железные опилки двигаются и располагаются в линии. Магнитные поля дают энергию другим частицам, которые касаются магнитного поля.
В физике магнитное поле — это поле, которое проходит через пространство и заставляет магнитную силу перемещать электрические заряды и магнитные диполи. Магнитные поля находятся вокруг электрических токов, магнитных диполей и изменяющихся электрических полей.
При нахождении в магнитном поле магнитные диполи находятся на одной линии, а их оси параллельны силовым линиям, что видно, когда железные опилки находятся в присутствии магнита.Магнитные поля также имеют свою собственную энергию и импульс, причем плотность энергии пропорциональна квадрату напряженности поля. Магнитное поле измеряется в единицах тесла (единицы СИ) или в гауссах (единицы измерения в сгс).
Есть несколько заметных видов магнитного поля. Для физики магнитных материалов, см. Магнетизм и магнит, а точнее, диамагнетизм. Для магнитных полей, создаваемых изменением электрических полей, см. Электромагнетизм.
Электрическое поле и магнитное поле являются компонентами электромагнитного поля.
Закон электромагнетизма был основан Майклом Фарадеем.
Модель магнитного полюса : два противоположных полюса, Север (+) и Юг (-), разделенные расстоянием d, образуют поле H (линии).Физики могут сказать, что сила и моменты между двумя магнитами вызваны магнитным полюсом, отталкивающим или притягивающим друг друга. Это похоже на кулоновскую силу, отражающую одинаковые электрические заряды или притягивающую противоположные электрические заряды. В этой модели магнитное H-поле создается магнитными зарядами , которые «размазываются» вокруг каждого полюса.Таким образом, H-поле похоже на электрическое поле E , которое начинается с положительного электрического заряда и заканчивается отрицательным электрическим зарядом. Вблизи северного полюса все линии Н-поля направлены в сторону от северного полюса (внутри магнита или снаружи), а вблизи южного полюса (внутри магнита или снаружи) все линии Н-поля направлены в сторону южного полюса. Таким образом, северный полюс ощущает силу в направлении Н-поля, в то время как сила на южном полюсе противоположна Н-полю.
В модели с магнитным полюсом элементарный магнитный диполь м образован двумя противоположными магнитными полюсами с силой полюса q м , разделенными очень малым расстоянием d, так что m = q m d ,
К сожалению, магнитные полюса не могут существовать отдельно друг от друга. Все магниты имеют пары север / юг, которые не могут быть разделены без создания двух магнитов, каждый из которых имеет пару север / юг. Кроме того, магнитные полюса не учитывают магнетизм, который создается электрическими токами, ни силу, которую магнитное поле оказывает на движущиеся электрические заряды.
Поле H определяется как:
- ЧАС ≡ В μ 0 — M , {\ displaystyle \ mathbf {H} \ \ экв \ {\ frac {\ mathbf {B}} {\ mu _ {0}}} — \ mathbf {M},} (определение H в единицах СИ)
С этим определением закон Ампера становится:
- ∮ ЧАС ⋅ d ℓ знак равно ∮ ( В μ 0 — M ) ⋅ d ℓ знак равно я T о T — я б знак равно я е {\ displaystyle \ oint \ mathbf {H} \ cdot d {\ boldsymbol {\ ell}} = \ oint \ left ({\ frac {\ mathbf {B}} {\ mu _ {0}}} — \ mathbf { M} \ right) \ cdot d {\ boldsymbol {\ ell}} = I _ {\ mathrm {tot}} -I _ {\ mathrm {b}} = I _ {\ mathrm {f}}}
, где I f представляет «свободный ток», заключенный в контур, так что интеграл от H вообще не зависит от связанных токов. [1] Дифференциальный эквивалент этого уравнения см. В уравнениях Максвелла. Закон Ампера приводит к граничному условию:
- ЧАС 1 , ∥ — ЧАС 2 , ∥ знак равно К е , {\ displaystyle H_ {1, \ параллельный} -H_ {2, \ параллельный} = \ mathbf {K} _ {\ text {f}},}
, где K f — плотность тока на поверхности. [2]
Аналогично, поверхностный интеграл H по любой замкнутой поверхности не зависит от свободных токов и выделяет «магнитные заряды» внутри этой замкнутой поверхности:
- ∮ S μ 0 ЧАС ⋅ d знак равно ∮ S ( В — μ 0 M ) ⋅ d знак равно ( 0 — ( — Q M ) ) знак равно Q M , {\ displaystyle \ oint _ {S} \ mu _ {0} \ mathbf {H} \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {A} = \ oint _ {S} (\ mathbf {B} — \ mu _ { 0} \ mathbf {M}) \ cdot \ mathrm {d} \ mathbf {A} = (0 — (- q_ {M})) = q_ {M},}
, который не зависит от свободных токов.
Поле H , следовательно, может быть разделено на две [3] независимых частей:
- ЧАС знак равно ЧАС 0 + ЧАС d , {\ displaystyle \ mathbf {H} = \ mathbf {H} _ {0} + \ mathbf {H} _ {d}, \,}
, где H 0 — приложенное магнитное поле, вызванное только свободными токами, а H d — размагничивающее поле, вызванное только связанными токами.
Магнитное поле H , следовательно, повторно учитывает связанный ток в терминах «магнитных зарядов». Линии поля H зацикливаются только вокруг «свободного тока» и, в отличие от магнитного поля B , начинаются и заканчиваются также вблизи магнитных полюсов.
- ↑ Джон Кларк Слейтер, Натаниэль Херман Франк (1969). Электромагнетизм (впервые опубликован в 1947 изд.). Курьер Довер Публикации. п. 69. ISBN 0486622630 .
- ↑ Дэвид Гриффитс. Введение в электродинамику (3-е издание 1999 г.). п. 332.
- third Третий член необходим для изменения электрических полей и токов поляризации; этот член тока смещения покрыт уравнениями Максвелла.
Магнитное поле и электрические токи внутри и вокруг Земли генерируют сложные силы, которые оказывают неизмеримое влияние на повседневную жизнь. Поле можно представить как огромный пузырь, защищающий нас от космического излучения и заряженных частиц, которые бомбардируют Землю солнечными ветрами. Предоставлено: ESA / ATG medialab.После более чем двухлетних измерений, проведенных спутниковым трио Роя ESA, изменения в напряженности магнитного поля Земли детально отображаются.
Запущенный в конце 2013 года, Swarm измеряет и распутывает различные магнитные сигналы от ядра Земли, мантии, земной коры, океанов, ионосферы и магнитосферы — на это уйдет несколько лет.
Хотя магнитное поле и электрические токи внутри Земли и вокруг нее невидимы, они создают сложные силы, которые оказывают неизмеримое влияние на нашу повседневную жизнь.
Поле можно представить как огромный пузырь, защищающий нас от космического излучения и электрически заряженных атомных частиц, которые бомбардируют Землю солнечными ветрами. Тем не менее, он находится в состоянии постоянного изменения.
Представленные на симпозиуме «Живая планета» на этой неделе, новые результаты, полученные с помощью созвездия спутников Рой, показывают, где наше защитное поле ослабевает и усиливается, и, что важно, насколько быстро происходят эти изменения.
Анимация выше показывает силу магнитного поля Земли и его изменение в период с 1999 по май 2016 года.
Синим цветом обозначено слабое поле, а красным — сильные области. Наряду с последними данными из созвездия Роя, информация со спутников CHAMP и Эрстед также использовалась для создания карты.
Основываясь на результатах миссии ESA «Рой», анимация показывает, как изменилась сила магнитного поля Земли в период с 1999 по середину 2016 года. Синий цвет показывает, где поле слабое, а красным — регионы, где поле сильное.В высоких широтах над Северной Америкой месторождение ослабло примерно на 3,5%, а в Азии оно выросло примерно на 2%. Регион, где месторождение находится в самом слабом месте — южноатлантическая аномалия, — неуклонно двигался на запад и еще больше ослабел примерно на 2%. Кроме того, северный магнитный полюс блуждает на восток. Кредит: DTU SpaceЭто ясно показывает, что месторождение в высоких широтах над Северной Америкой ослабло примерно на 3,5%, а в Азии — примерно на 2%. Регион, где месторождение находится в самом слабом месте — южноатлантическая аномалия — неуклонно двигался на запад и еще больше ослабел примерно на 2%.
Кроме того, северный магнитный полюс блуждает на восток, в сторону Азии.
Вторая анимация показывает скорость изменения магнитного поля Земли в период с 2000 по 2015 год. Области, где изменения в замедленном поле показаны синим цветом, а красный показывает, где изменения ускорились.
На анимации показаны изменения в скорости, с которой магнитное поле Земли усиливалось и ослаблялось в период с 2000 по 2015 год.Регионы, в которых изменения в поле замедлились, показаны синим цветом, а красный показывает, где изменения ускорились. Например, в 2015 году изменения в этой области замедлились возле Южной Африки, но изменения стали быстрее в Азии. Эта карта была составлена с использованием данных миссии ESA Swarm. Кредит: DTU SpaceНапример, изменения в области замедлились возле Южной Африки, но изменились быстрее в Азии.
Считается, что магнитное поле в значительной степени создается океаном расплавленного, циркулирующего жидкого железа, которое составляет внешнее ядро нашей планеты, находящееся на расстоянии 3000 км под нашими ногами.Действуя как вращающийся проводник в велосипедном динамо, он генерирует электрические токи и, следовательно, постоянно меняющееся электромагнитное поле.
Считается, что ускорения напряженности поля связаны с изменениями того, как этот жидкий чугун течет и колеблется во внешнем ядре.
Считается, что магнитное поле в значительной степени создается океаном перегретого, циркулирующего жидкого железа, которое составляет внешнее ядро Земли на 3000 км под нашими ногами.Действуя как вращающийся проводник в велосипедном динамо, он генерирует электрические токи и, следовательно, постоянно меняющееся электромагнитное поле. Другие источники магнетизма происходят из минералов в мантии и коре Земли, в то время как ионосфера, магнитосфера и океаны также играют роль. Созвездие ESA из трех спутников Swarm предназначено для точного определения и измерения этих различных магнитных сигналов. Это приведет к новому пониманию многих природных процессов, от тех, которые происходят глубоко внутри планеты, до погоды в космосе, вызванной солнечной активностью.Предоставлено: ESA / ATG Medialab.Крис Финлей, старший научный сотрудник DTU Space в Дании, сказал: «Данные Роя теперь позволяют нам наносить на карту детальные изменения в магнитном поле Земли, не только на поверхности Земли, но и вниз, на краю области ее источника в ядре.
«Неожиданно мы обнаруживаем быстрые локализованные изменения поля, которые, по-видимому, являются результатом ускорений жидкого металла, протекающего внутри активной зоны».
Руне Флобергхаген, менеджер миссии ESA в ESM, добавил: «Через два с половиной года после запуска миссии очень приятно видеть, что Swarm отображает магнитное поле и его вариации с феноменальной точностью.
«Качество данных действительно превосходно, и это открывает путь для изобилия научных приложений, поскольку данные продолжают эксплуатироваться».
Понятно, что инновационная миссия ESA «Swarm» позволяет по-новому взглянуть на наше изменяющееся магнитное поле. Ожидается, что дальнейшие результаты позволят получить новую информацию о многих природных процессах, от тех, которые происходят глубоко внутри планеты, до погоды в космосе, вызванной солнечной активностью.
В свою очередь, эта информация, несомненно, даст лучшее понимание того, почему магнитное поле ослабевает в некоторых местах и во всем мире.
Рой показывает изменяющийся магнетизм Земли
Предоставлено Европейское космическое агентство
Цитирование : Изменения силы магнитного поля Земли нанесены на карту (2016 г., 11 мая) восстановлено 30 июля 2020 г. с https: // физ.орг / Новости / 2016-05-сила-земля-магнитно-field.html
Этот документ защищен авторским правом. Кроме честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет Часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Содержание предоставлено исключительно в информационных целях.
,Магнетизм | Wyzant Resources
Автор репетитор Кейт М.
Магнитные и электрические поля
Объединение электричества и магнетизма в середине 1800-х годов Джеймсом Клерком Максвеллом было одним из главных научных достижений 19-го века. Это объединение показало нам, что, хотя электрические и магнитные поля различаются в некоторых существенных отношениях, они также тесно связаны. Вспомните, что поля — это просто конструкции, которые мы используем для понимания этих идей: мы не можем видеть поля, но мы можем переживать их последствия, когда их силы воздействуют на другие объекты.В этой статье мы узнаем о магнитном поле, магнитных силах и глубокой связи между магнетизмом и электричеством.
В то время как электрические поля генерируются электрическими зарядами, существующими в некоторой позиции, магнитные поля создаются , перемещающими электрических зарядов. Если заряд движется, у него все еще есть электрическое поле, просто электрическое поле основано только на положении заряда на данном снимке во времени и не зависит от мгновенной скорости заряда.Как правило, мы обозначаем электрические поля E , а магнитные поля B . Подводя итог, можно сказать, что стационарные заряды имеют электрические поля, а движущиеся заряды имеют как электрические, так и магнитные поля.
Другое основное различие между этими двумя типами полей состоит в том, что в то время как для электрических полей наш самый основной генерирующий поле объект — это точечный заряд, для магнитных полей — это линия движущихся зарядов (представьте себе провод, несущий некоторый ток).Это означает, что «точечных магнитов» нет — или, как часто говорят об этом важном принципе:
«Магнитных монополей нет».
Одно важное свойство, которое магнитные поля разделяют с электрическими полями, заключается в том, что напряженность магнитного поля уменьшается с той же скоростью (с точки зрения расстояния от источника), что и электрическое поле для аналогичных объектов. Следующая таблица сравнивает, как электрические и магнитные поля зависят от расстояния от источника (обозначается r ) для некоторых стандартных примеров: точка, бесконечная линия и бесконечная плоскость.Вы заметите, что для магнитного поля нет точечного аналога заряда — это потому, что нет магнитных монополей.
Рисунок 1
Теперь вы можете задаться вопросом: «Эй, как вы выяснили эти линии магнитного поля?» То, как линии магнитных полей генерируются от движущихся источников заряда, регулируется «правилом правой руки».
Рисунок 2
Потратьте минуту, чтобы попрактиковаться в технике правил правой руки, подтвердив направление линий поля на рисунке 1.Одно важное замечание в правиле правой руки: когда мы говорим о направлении движущегося заряда, мы имеем в виду направление движущегося положительного заряда . Если проблема связана с движущимся отрицательным зарядом, направление движения будет в противоположном направлению . К счастью, ток в проводе (обозначается I ) обычно определяется как движение положительного заряда, поэтому, если вам говорят, в каком направлении течет ток в проводе, это направление, которое вы будете использовать в правиле правой руки. ,Вопросы викторины в конце этой статьи помогут вам практиковать эту технику в дальнейшем.
Магнитные силы
Подобно электрическим полям, мы испытываем магнитные поля посредством сил, которые они оказывают на заряженные частицы. В отличие от электрических полей, заряженная частица также должна двигаться, чтобы испытать магнитную силу. Фактически сила магнитной силы (обозначается F B ) прямо пропорциональна скорости заряженной частицы.Сравните электрические и магнитные силы в следующей таблице. Обратите внимание на обозначения ʘ и ⊗, обычно используемые при работе с магнитными полями и силами. Эти круги представляют направления прямо из страницы и прямо в страницу, соответственно. Думайте о них, как о том, какой конец стрелки вы видите: либо остроконечная голова, выходящая из страницы, либо пернатый хвост, направляющийся в страницу.
Рисунок 3
Здесь мы снова видим правило правой руки; он также используется, хотя и немного другим образом, для определения направления магнитной силы.Если раньше это был одношаговый процесс, то здесь правое правило состоит из двух этапов:
Рисунок 4
Вы также можете посмотреть видео с правилом правой руки.
Обратите внимание, что это означает, что магнитная сила никогда не направляется в том же направлении, что и движение заряженной частицы — фактически она всегда точно перпендикулярна ей, благодаря правилу правой руки. Это означает, что магнитное поле никогда не выполняет никакой работы, поскольку работа определяется как сила на пути движущегося объекта.(См. Статью о работе для ознакомления с этой темой.) Вопросы о работе, выполняемой B-field, любимы учителями, так что не дайте себя одурачить! Вне зависимости от обстоятельств, магнитное поле никогда не сможет работать. Это в отличие от электрического поля, которое действительно может работать. Другие распространенные вопросы о магнитных полях, с которыми вы можете столкнуться, касаются движущихся нейтральных частиц (поскольку они не имеют заряда, они не испытывают магнитной силы) или стационарных заряженных частиц (поскольку они не движутся, они также не испытывают магнитную силу).
Обратите внимание, что на рисунке 3 мы приняли постоянное значение поля ( E или B ), например, сгенерированное бесконечной плоскостью. Однако если у вас есть генерирующий объект, который не генерирует постоянное поле, эти уравнения можно расширить, подставив в соответствующие r -зависимые уравнения для E или B . Мы не будем вдаваться в подробности в этой статье, но знаем, что вы столкнетесь с такими проблемами в полном курсе по электричеству и магнетизму.
Изменение магнитных полей вызывает электрические токи
К настоящему времени вы уже видели много важных сходств и различий между магнитным и электрическим полями. Но вы можете еще не убедиться в том, что между ними существует «глубокая связь». Если это так, феномен магнитно-индуцированного электрического тока, скорее всего, изменит ваше мнение.
Скажем, у нас есть петля проволоки. На нем нет чистого заряда, но материал является проводящим, поэтому заряд может свободно перемещаться, даже если в настоящее время ток не течет по проводу.Предположим также, что петля находится в постоянном магнитном поле, указывающем на страницу.
Рисунок 5
Предположим теперь, что сила магнитного поля начинает меняться со временем. Электрический ток начнет течь в петле! Количество протекающего тока зависит ровно от двух факторов: от того, насколько быстро изменяется магнитное поле (например, 0,5 Т / с или -0,02 Т / с), и площади, описанной контуром. На самом деле, удобно определить то, что называется «магнитным потоком» (обозначается как Φ), что можно рассматривать как силу поля через петлю, умноженную на площадь петли.(По правде говоря, поток также зависит от угла, который поле делает с петлей, но это обычно не охватывается до курсов университетского уровня. Пока поле перпендикулярно петле, как во всех примерах, представленных здесь, это третий фактор может быть проигнорирован при расчете магнитного потока.) Величина индуцированного тока также может быть описана как прямо пропорциональная изменению магнитного потока. Подведем итог:
I B ΔB · A (где ΔB — изменение в B и A — область контура) также может рассматриваться как:
I 900 ΔΦ (где ΔΦ — изменение магнитного потока)
Это означает, что более быстро изменяющаяся напряженность поля будет генерировать больший ток, чем более медленно изменяющаяся напряженность поля.
Решение для направления индуцированного тока немного сложнее, но может быть кратко описано следующим образом:
«Индуцированный ток течет так, чтобы противостоять изменению потока».
Это означает, что если поле в наших примерах увеличивается в силе, изменение потока также будет указывать на страницу. Таким образом, ток будет течь так, чтобы создать магнитное поле, указывающее на страницу внутри петли. (Напомним: электрический ток генерирует магнитные поля — см. Рисунок 1.Независимо от того, какое поле создает ток вне петли, это не имеет значения — нас интересует только то, что происходит внутри петли .
Рисунок 6
В каком направлении течет ток в нашем примере? Мы должны проверить догадки (по часовой стрелке или против часовой стрелки вокруг цикла) вдоль сегментов нашего цикла, используя правило правой руки. Давайте сначала попробуем верхний сегмент. Практикуйте свои навыки правил правой руки, проверяя каждую диаграмму!
Рисунок 7
Это скажет нам, что ток течет по часовой стрелке вокруг петли.Давайте попробуем еще один сегмент нашего цикла, чтобы убедиться. Мы проверим и нижний сегмент. Опять же, подтвердите эти диаграммы самостоятельно, используя правило правой руки.
Рисунок 8
Здесь мы снова видим, что ток должен течь по часовой стрелке, чтобы мы могли достичь необходимого поля B , как показано на рисунке 6. Затем мы можем обновить рисунок 6, чтобы показать направление тока, необходимое для создания такого поля:
Рисунок 9
Теперь рассмотрим снова исходный рисунок 6.Что если вместо увеличения силы поле B со временем уменьшится? В этом случае изменение потока, ΔΦ, будет указывать на страницу, даже если само поле все равно будет сначала указывать на страницу. (Не позволяйте этому противоположному направлению сбить вас с толку — вы, вероятно, уже сталкивались с аналогичной ситуацией в механике. Рассмотрим замедляющуюся машину, движущуюся на восток: даже если машина движется на восток, замедление означает изменение скорости, Δv, баллов запад.) Попробуйте определить, в каком направлении ток будет течь по контуру в этом случае, нарисовав схемы, подобные рисункам 7 и 8. (Подсказка: теперь он будет течь против часовой стрелки.) Проведите некоторое время с этими картинками и идеями, чтобы по-настоящему понять и освоиться с ними. Поначалу магнетизм может сбивать с толку, и ему потребуется некоторое время, чтобы привыкнуть к новым идеям и расчетам, которые он представляет.
Викторина по практике магнетизма
Что вызывает магнитные поля?
Правильный ответ здесь будет D .
Какое правило определяет направление линий магнитного поля?
Правильный ответ здесь будет B .
Каково направление линий поля B вдоль этого проводника с током?
Правильный ответ здесь будет C .
Каково направление линий поля B вдоль этого проводника с током?
Правильный ответ здесь будет D .
Каково направление линий поля B вдоль этого проводника с током? (Предположим, что ток идет прямо из страницы.)
Правильный ответ здесь будет A .
Напомним, ток — это направление движения положительных зарядов.
На рисунке ниже q = 2 C, v = 8 м / с и B = 0.1 Т. Какова величина магнитной силы и ее направление?
Правильный ответ здесь будет B .
Напомним, sin90 ° = 1.
На рисунке ниже q = 0,5 ° C, v = 60 м / с и B = 1,5 Т. Какова величина магнитной силы и ее направление?
Правильный ответ здесь будет C .
Напомним, sin0 ° = 0.
На рисунке ниже, B увеличивается со временем. В каком направлении течет ток вдоль петли?
Правильный ответ здесь будет A .
На рисунке ниже B уменьшается со временем. В каком направлении течет ток вдоль петли?
Правильный ответ здесь будет B .
Напомним, что несмотря на то, что B отсутствует на странице, на страницу указывает B .
Похожие записи
