Физика магнитное поле. Магнитное поле: определение, свойства, виды и применение

Что такое магнитное поле и как оно возникает. Какими свойствами обладает магнитное поле. Какие бывают виды магнитных полей. Где применяются магнитные поля в современном мире.

Что такое магнитное поле и как оно возникает

Магнитное поле — это особый вид материи, который существует вокруг движущихся электрических зарядов, постоянных магнитов и проводников с током. Магнитное поле обладает энергией и способно воздействовать на другие заряженные частицы и магнитные материалы.

Основные условия возникновения магнитного поля:

• Движение электрических зарядов (например, электрический ток в проводнике)
• Наличие постоянных магнитов
• Изменение во времени электрического поля

Магнитное поле невозможно увидеть невооруженным глазом, но его можно обнаружить по силовому воздействию на проводники с током, постоянные магниты и движущиеся заряженные частицы.

Основные характеристики и свойства магнитного поля

Магнитное поле обладает рядом важных свойств и характеристик:

• Векторный характер — магнитное поле в каждой точке пространства характеризуется вектором магнитной индукции B
• Силовое воздействие на движущиеся заряды, токи и магнитные материалы
• Способность передавать энергию
• Распространение со скоростью света
• Способность проникать через вакуум и многие материалы
• Замкнутость силовых линий (отсутствие магнитных зарядов)

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B. Его направление совпадает с направлением силовых линий, а модуль характеризует интенсивность поля.

Виды магнитных полей

В зависимости от источника и характера распределения в пространстве выделяют следующие основные виды магнитных полей:

1. Магнитное поле прямолинейного проводника с током

Силовые линии такого поля представляют собой концентрические окружности вокруг проводника. Направление линий определяется правилом буравчика — если вкручивать буравчик по направлению тока, то направление вращения его рукоятки покажет направление линий магнитного поля.

2. Магнитное поле кругового тока

Силовые линии поля замкнутого кругового витка с током похожи на линии поля полосового магнита. Внутри витка поле однородно и направлено перпендикулярно плоскости витка.

3. Магнитное поле соленоида

Соленоид — это катушка с намотанным проводом. Магнитное поле внутри длинного соленоида практически однородно и направлено вдоль его оси. Снаружи поле ослабевает и по форме напоминает поле полосового магнита.

4. Магнитное поле постоянных магнитов

Постоянные магниты создают вокруг себя магнитное поле, подобное полю соленоида. Силовые линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный, замыкаясь внутри магнита.

5. Магнитное поле Земли

Земля обладает собственным магнитным полем, которое по форме напоминает поле гигантского полосового магнита, расположенного внутри планеты. Это поле защищает Землю от космической радиации и солнечного ветра.

Как обнаружить и измерить магнитное поле

Существует несколько способов обнаружения и измерения характеристик магнитного поля:

• С помощью магнитной стрелки (компаса) — стрелка ориентируется вдоль силовых линий поля
• По действию на проводник с током — возникает сила Ампера
• По отклонению пучка заряженных частиц — действует сила Лоренца
• С использованием эффекта Холла — возникает поперечная разность потенциалов
• Методом ядерного магнитного резонанса
• С помощью специальных датчиков — магнитометров

Для визуализации структуры магнитного поля часто используют железные опилки, которые выстраиваются вдоль силовых линий.

Применение магнитных полей в науке и технике

Магнитные поля нашли широкое применение в различных областях науки и техники:

• Электродвигатели и генераторы электрического тока
• Электромагниты и системы магнитной левитации
• Магнитно-резонансная томография в медицине
• Системы магнитной записи и хранения информации
• Ускорители заряженных частиц
• Масс-спектрометры
• Магнитные сепараторы в промышленности
• Компасы и навигационные системы
• Магнитные замки и системы безопасности

Понимание свойств магнитного поля позволило создать множество полезных устройств и технологий, без которых сложно представить современный мир.

Взаимодействие магнитного поля с веществом

При внесении различных веществ в магнитное поле они могут проявлять разные магнитные свойства:

• Диамагнетики — слабо выталкиваются из неоднородного магнитного поля
• Парамагнетики — слабо втягиваются в область сильного поля
• Ферромагнетики — сильно намагничиваются и втягиваются в магнитное поле

Ферромагнитные материалы (железо, никель, кобальт и их сплавы) способны сохранять намагниченность даже после удаления внешнего поля. Это свойство используется для создания постоянных магнитов.

Магнитное поле и теория относительности

Согласно специальной теории относительности Эйнштейна, электрическое и магнитное поля являются проявлениями единого электромагнитного поля. В зависимости от системы отсчета, одно и то же поле может восприниматься либо как электрическое, либо как магнитное.

Этот факт указывает на глубокую связь между электричеством и магнетизмом, а также пространством и временем. Понимание этой связи привело к развитию современной электродинамики и теории элементарных частиц.

Магнитные поля в природе и космосе

Магнитные поля широко распространены в природе и играют важную роль в различных процессах:

• Магнитное поле Земли защищает планету от космической радиации
• Солнце и другие звезды обладают мощными магнитными полями
• Магнитные поля влияют на формирование и эволюцию галактик
• Некоторые животные (например, перелетные птицы) способны чувствовать магнитное поле Земли и использовать его для навигации
• Магнитные бури на Солнце могут вызывать геомагнитные возмущения на Земле

Изучение космических магнитных полей помогает лучше понять процессы, происходящие во Вселенной, и историю ее развития.

Заключение

Магнитное поле — это фундаментальное физическое явление, играющее важную роль в природе и технике. Понимание свойств и закономерностей магнитного поля позволило человечеству создать множество полезных устройств и технологий. Дальнейшее изучение магнетизма и его связи с другими физическими явлениями открывает новые перспективы для развития науки и техники.

Магнитное поле — определение, виды

Покажем, как применять знание физики в жизни

Начать учиться

Северный полюс и южный полюс на самом деле не совсем северный и южный, а вовсе наоборот. Звучит, как странная фантазия сумасшедшего физика, но это имеет место быть. Разбираемся с полюсами в этой статье.

Магнитное поле

Люди только и делают, что говорят про какие-то магнитные бури, привозят магнитики на холодильник, ходят в походы с компасом, который показывает, где север, а где юг. В основе всего этого лежит магнитное поле.

Магнитное поле — это особый вид материи, который существует вокруг магнитов или движущихся зарядов.

У нее есть несколько условий для существования:

• магнитное поле существует независимо от наших знаний о нем;
• порождается только движущимся электрическим зарядом;
• обнаружить магнитное поле можно по действию на движущийся электрический заряд (или проводник с током) с некоторой силой;
• магнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

Магнитное поле создается только движущимся электрическим зарядом? А как же магниты? Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Электроны могут вращаться по разным орбитам. На каждой орбите может находиться по два электрона, которые вращаются в разных направлениях. Но у некоторых веществ не все электроны парные, и несколько электронов крутятся в одном и том же направлении, такие вещества называются ферромагнетиками. А поскольку электрон — заряженная частица, вращающиеся вокруг атома в одну и ту же сторону электроны создают магнитное поле. Получается миниатюрный электромагнит. Если атомы вещества расположены в произвольном порядке, поля этих крошечных магнитиков компенсируют друг друга. Но если эти магнитные поля направить в одну и ту же сторону, то они сложатся — и получится магнит.

У любого магнита есть два полюса — северный и южный.

Любое магнитное поле описывается магнитными линиями, которые выходят из северного поля и приходят в южный. Эти линии всегда замкнуты, даже если у них бесконечная длина. Вот так это выглядит:

Как запомнить, что выходят магнитные линии из северного полюса, а приходят в южный? Все просто — на севере жить никто не хочет. Многие люди переезжают туда, где теплее, зимуют в теплых краях, в общем — стремятся на юг. Магнитные линии тоже.

Северный полюс обозначается латинской буквой N (от английского слова North). А южный — буквой S (от английского слова South).

Важный нюанс

Мы привыкли к тому, что на географическом севере находится северный магнитный полюс и на него указывает синяя стрелка компаса. Однако это не совсем так.

Из физики магнетизма нам известно, что силовые линии магнитного поля входят в южный полюс магнита, а выходят из северного. Если вы посмотрите на картину силовых линий магнитного поля Земли, то увидите, что они входят в Землю в районе северного географического полюса у канадских берегов Северного Ледовитого океана, а выходят в районе южного географического полюса в Антарктиде. Значит, с точки зрения физики у Земли на севере расположен южный магнитный полюс, а на юге — северный. Такие полюсы называются «истинными».

Однако, вопреки законам физики, люди договорились, что для простоты будут называть тот магнитный полюс, который находится на севере, северным, а тот магнитный полюс, что на юге, — южным. Такие магнитные полюсы Земли называются «мнимыми».

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Опыт Эрстеда

Самое главное экспериментальное доказательство того, что магнитное поле возникает из-за движения зарядов — это опыт Эрстеда. В1820 году Эр­стед опыт­ным пу­тём свя­зал элек­три­че­ст­во и маг­не­тизм с по­мо­щью экс­пе­ри­мен­та с от­кло­не­ни­ем стрел­ки ком­па­са.

Это явление использовали, когда создавали первые ам­пер­мет­ры, так как от­кло­не­ние стрел­ки про­пор­цио­наль­но ве­ли­чи­не то­ка. Оно ле­жит в ос­но­ве лю­бо­го элек­тро­маг­ни­та.

Курсы подготовки к ОГЭ по физике помогут снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.

 

Карина Хачатурян

К предыдущей статье

112.4K

Электромагнитные волны

К следующей статье

126. 5K

Коэффициент полезного действия (КПД)

Получите индивидуальный план обучения физике на бесплатном вводном уроке

На вводном уроке с методистом

1. Выявим пробелы в знаниях и дадим советы по обучению

2. Расскажем, как проходят занятия

3. Подберём курс

Физика Магнитное поле

Материалы к уроку

Конспект урока

Первые сведения о магнитах были получены более двух с половиной тысяч лет назад. Еще в шестом веке древнекитайскими учеными были обнаружены минералы, которые способны притягивать к себе железо. Первенство открытия компаса так же принадлежит им. Одна из версий происхождения слова  «магнит» состоит в том, что слово произошло от названия региона Магнесия в Малой Азии, где в древности были открыты залежи магнитного железняка. Нам уже известно, что вокруг магнита существует невидимое магнитное поле, которое можно обнаружить только по тому действию, которое оно оказывает.     Например, по отклонению стрелки компаса.
В 1820 году датским ученым Кристианом Эрстедом было обнаружено явление порождения магнитного поля при движении тока в проводнике. С этим опытом мы знакомились в курсе физики 8 класса. Тогда же Ампером было предложена идея, что в веществах за счет движения электронов по орбитам, возникают малые кольцевые токи. В постоянных магнитах,  они все одинаково направлены. Магнитные поля, создаваемые вокруг них, усиливают друг друга, создавая значительное поле внутри и вокруг магнита. Таким образом, под магнитным полем понимают – силовое поле, которое возникает вокруг движущихся заряженных частиц.
Вспомним, какими свойствами обладает магнитное поле тока: 
1.    Оно порождается только движущимися зарядами, например, током.
2.    Магнитное поле невидимо,  но материально. Обнаружить его можно только по тому действию, которое оно оказывает. 
3.    Магнитное поле можно обнаружить по его действию на магнитную стрелку и на другие движущиеся заряженные тела (например, другой проводник с током). Наглядно представить магнитное поле можно с помощью магнитных линий.  Магнитные линии – это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле. 
Проведем опыт. 
Поместим прямой или полосовой, как его иногда называют, постоянный магнит под лист бумаги. Насыпаем на лист железные опилки. Распределим железные опилки на поверхности бумаги равномерно. Мы видим, что железные опилки в магнитном поле будут вести себя как намагниченная стрелка. Они располагаются вдоль линий магнитного поля. У полюсов заметно, что магнитное поле действует не только в плоскости, но и пространстве. Магнитные опилки располагаются в этой области даже перпендикулярно поверхности бумаги. Они, как бы, пытаются подняться вверх, но сила тяжести, действующая на них, не позволяет этого сделать.  Аналогичным образом можно продемонстрировать магнитное поле прямого проводника с током.
Отметим особенности магнитных линий:
1.    Магнитные линии можно провести через любую точку пространства.
2.    Они замкнуты и не пересекаются. Средняя линия идет бесконечно. 
3.    Магнитная линия проводится так, чтобы касательная в каждой точке линии, совпадала с осью магнитной стрелки, помещенной в эту точку.
4.    За направление магнитной линии принято направление северного полюса стрелок компаса, расположенных вдоль этой линии
5.    Более сильное магнитное поле отображается большей концентрацией линий. 
Аналогичное расположение магнитных линий можно наблюдать у соленоида (проволочной катушки с током). А как изобразить линии магнитного поля, если они направлены перпендикулярно к нам, и как, в таком случае, указать их направление? Для этого пользуются правилом стрелы. Предположим, что линии магнитного поля направлены к нам, то мы видим наконечник стрелы, тогда на рисунке линию изобразим в виде точки. Если линии магнитного поля направлены от нас, то мы видим оперение стрелы, тогда на рисунке линию изобразим в виде креста. Различают однородное и неоднородное магнитное поле. В неоднородном поле линии искривлены, густота их меняется. Например, поле вокруг прямолинейного проводника с током. В однородном поле линии параллельны друг другу и густота их одинакова. Например, внутри центральной части полосового магнита.

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитораОставить заявку на подбор

Магниты и электромагниты

Магниты и электромагниты

Строки магнитное поле из брускового магнита образуют замкнутые линии. По соглашению, направление поля считается наружу от Северный полюс и в к Южному полюсу магнита. Постоянные магниты могут быть изготовлены из ферромагнитных материалов. Как видно из линий магнитного поля, магнитное поле наиболее сильно внутри магнитного материала. Наиболее сильные внешние магнитные поля находятся вблизи полюсов. Северный магнитный полюс будет притягивать южный полюс другого магнита и отталкивать северный полюс. Линии магнитного поля стержневого магнита можно проследить с помощью компаса. Стрелка компаса сама по себе является постоянным магнитом, а указатель севера компаса является магнитным северным полюсом. Северный полюс магнита будет стремиться выровняться с магнитным полем, поэтому подвешенная стрелка компаса будет вращаться, пока не выровняется с магнитным полем. В отличие от притяжения магнитных полюсов, северный указатель компаса будет указывать на южный полюс магнита. В ответ на магнитное поле Земли компас будет указывать на географический Северный полюс Земли, потому что на самом деле это южный магнитный полюс. Силовые линии магнитного поля Земли входят в Землю вблизи географического Северного полюса. Сравнение магнитного и электрического полей Сравнение с магнитным полем соленоида

Индекс Концепции магнитного поля

8 Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица

Назад

Электрическое поле точечного заряда направлено радиально наружу от положительного заряда. Магнитное поле стержневого магнита. Электрический источники по своей сути являются «монопольными» или точечными источниками заряда. Магнитные источники по своей сути являются дипольными источниками — вы не можете изолировать северные или южные «монополя».	Индекс Магнитная сила Концепции магнитного поля
Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица	Назад

Магнитное поле, создаваемое электрическим током в соленоидной катушке, похоже на поле стержневого магнита. Линии магнитного поля можно рассматривать как карту, представляющую магнитное влияние объекта-источника в окружающем его пространстве. Свойства силовых линий магнитного поля можно обобщить следующим образом: Направление магнитного поля касается линии магнитного поля в любой точке пространства. Сила магнитного поля визуализируется близостью линий друг к другу. Он пропорционален количеству линий на единицу площади, перпендикулярной линиям. часто используемая фраза — «плотность магнитного потока». Линии магнитного поля никогда не пересекаются. Магнитное поле в любой точке уникально. Линии магнитного поля непрерывны и образуют замкнутые петли без начала и конца. (Список адаптирован из обсуждения OpenStaxCollege.) Добавить железный сердечник к соленоиду

Индекс Концепции магнитного поля

8 Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица

Назад

Железный сердечник имеет эффект многократного умножения в магнитный поле соленоид по сравнению в воздух основной соленоид слева. Свойства соленоида с железным сердечником	Индекс Концепции магнитного поля
8 Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица	Назад

Электромагниты обычно имеют форму соленоидов с железным сердечником. Ферромагнитное свойство железного сердечника приводит к тому, что внутренние магнитные домены железа выравниваются с меньшим движущим магнитным полем, создаваемым током в соленоиде. Эффект заключается в умножении магнитного поля в десятки и даже тысячи раз. Отношение поля соленоида равно и k — относительная проницаемость железа, показывает увеличительный эффект железного сердечника.

Индекс Концепции магнитного поля

8 Гиперфизика***** Электричество и магнетизм R Ступица

Вернуться

22.3 Магнитные поля и силовые линии магнитного поля — Колледж физики 2e

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Дайте определение магнитному полю и опишите линии магнитного поля различных магнитных полей.

Говорят, что в детстве Эйнштейн был очарован компасом, возможно, размышляя о том, как стрелка чувствует силу без прямого физического контакта. Его способность глубоко и ясно размышлять о действиях на расстоянии, особенно о гравитационных, электрических и магнитных силах, позже позволила ему создать свою революционную теорию относительности. Поскольку магнитные силы действуют на расстоянии, мы определяем магнитное поле как представление магнитных сил. Графическое изображение силовых линий магнитного поля очень полезно для визуализации силы и направления магнитного поля. Как показано на рис. 22.14, направление силовых линий магнитного поля определяется как направление, в котором указывает северный конец стрелки компаса. Магнитное поле традиционно называют B — поле.

Рисунок 22.14 Линии магнитного поля имеют направление, которое указывает небольшой компас, помещенный в определенное место. (a) Если для картографирования магнитного поля вокруг стержневого магнита используются небольшие компасы, они будут указывать в указанном направлении: от северного полюса магнита к южному полюсу магнита. (Вспомните, что северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным полюсом с точки зрения определения полюсов стержневого магнита.) (b) Соединение стрелок дает непрерывные силовые линии магнитного поля. Сила поля пропорциональна близости (или плотности) линий. в) Если бы можно было исследовать внутреннюю часть магнита, то было бы обнаружено, что силовые линии образуют непрерывные замкнутые петли.

Маленькие компасы, используемые для проверки магнитного поля, не будут мешать ему. (Это аналогично тому, как мы тестировали электрические поля с небольшим пробным зарядом. В обоих случаях поля представляют собой только объект, создающий их, а не зонд, проверяющий их.) На рис. 22.15 показано, как выглядит магнитное поле для контура с током и длинный прямой провод, который можно было исследовать с помощью небольшого компаса. Небольшой компас, помещенный в эти поля, выровняется параллельно линии поля в том месте, где он находится, с северным полюсом, указывающим в направлении 9 градусов.0257 Б . Обратите внимание на символы, используемые для поля ввода и вывода из бумаги.

Рисунок 22.15 Для картирования полей, показанных здесь, можно использовать небольшие компасы. (а) Магнитное поле круглой петли с током подобно магнитному полю стержневого магнита. (b) Длинный и прямой провод создает поле с силовыми линиями магнитного поля, образующими круглые петли. (c) Когда проволока находится в плоскости бумаги, поле перпендикулярно бумаге. Обратите внимание, что символы, используемые для поля, указывающего внутрь (например, хвост стрелы), и поля, указывающего наружу (например, кончик стрелки).

Установление связей: концепция поля

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

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

1. Направление магнитного поля касается силовой линии в любой точке пространства. Маленький компас укажет направление линии поля.