Как можно обнаружить невидимое магнитное поле. Какие существуют способы визуализации магнитных силовых линий. Какие приборы используются для измерения параметров магнитного поля. Какие эксперименты позволяют наблюдать действие магнитного поля.

Что такое магнитное поле и каковы его основные характеристики

Магнитное поле — это особая форма материи, которая создается движущимися электрическими зарядами или постоянными магнитами. В отличие от электрического поля, магнитное поле невозможно обнаружить непосредственно органами чувств человека. Однако его наличие и свойства можно определить по силовому воздействию на другие объекты.

Основными характеристиками магнитного поля являются:

• Вектор магнитной индукции B — силовая характеристика, показывающая силу действия поля на движущиеся заряды
• Напряженность магнитного поля H — величина, характеризующая магнитное поле независимо от магнитных свойств среды
• Магнитный поток Ф — величина, характеризующая количество силовых линий, пронизывающих некоторую поверхность

Магнитное поле принято изображать с помощью силовых линий — воображаемых линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции. Чем гуще расположены силовые линии, тем сильнее магнитное поле в данной области.

Способы обнаружения и визуализации магнитного поля

Существует несколько основных методов, позволяющих обнаружить наличие магнитного поля и визуализировать его структуру:

1. С помощью железных опилок

Это один из самых простых и наглядных способов. Если насыпать железные опилки на лист бумаги и поднести снизу магнит, опилки выстроятся вдоль силовых линий магнитного поля, делая их видимыми. Этот метод позволяет наблюдать картину силовых линий в плоскости.

2. С помощью магнитной стрелки

Магнитная стрелка компаса всегда устанавливается вдоль силовых линий магнитного поля. Перемещая компас в разных точках пространства вокруг магнита или проводника с током, можно определить направление поля в этих точках.

3. С помощью магнитной жидкости

Магнитная жидкость содержит мельчайшие частицы железа, взвешенные в масле. При воздействии магнитного поля эти частицы выстраиваются вдоль силовых линий, образуя характерные пики и узоры. Это позволяет наблюдать объемную картину магнитного поля.

Приборы для измерения параметров магнитного поля

Для количественного измерения характеристик магнитного поля используются специальные приборы — магнитометры различных типов:

• Индукционные магнитометры — измеряют изменение магнитного потока
• Феррозондовые магнитометры — используют насыщение ферромагнитного сердечника
• Квантовые магнитометры — основаны на эффекте Зеемана
• Датчики Холла — измеряют ЭДС Холла, возникающую в проводнике с током в магнитном поле

Современные магнитометры позволяют измерять индукцию магнитного поля с очень высокой точностью — до 10^-15 Тл. Это дает возможность исследовать даже слабые магнитные поля, например, магнитное поле Земли.

Эксперименты по обнаружению действия магнитного поля

Опыт Эрстеда

Один из первых экспериментов, обнаруживших связь между электричеством и магнетизмом, был проведен Хансом Кристианом Эрстедом в 1820 году. Он заметил, что магнитная стрелка компаса отклоняется при пропускании электрического тока через расположенный рядом проводник.

Для повторения опыта Эрстеда необходимо:

1. Расположить проводник над компасом параллельно магнитной стрелке
2. Подключить проводник к источнику тока
3. Наблюдать отклонение магнитной стрелки при пропускании тока
4. Изменить направление тока — стрелка отклонится в противоположную сторону

Этот простой эксперимент наглядно демонстрирует наличие магнитного поля вокруг проводника с током.

Опыт с катушкой индуктивности

Еще один показательный эксперимент можно провести с катушкой индуктивности и железными опилками:

1. Насыпать железные опилки на лист картона
2. Поместить под картон катушку индуктивности
3. Подключить катушку к источнику постоянного тока
4. Наблюдать, как опилки выстраиваются вдоль силовых линий магнитного поля катушки

Этот опыт позволяет визуализировать магнитное поле соленоида и увидеть, что оно похоже на поле полосового магнита.

Магнитное поле Земли и его обнаружение

Земля обладает собственным магнитным полем, которое можно обнаружить с помощью компаса. Магнитная стрелка компаса всегда указывает на магнитные полюса Земли, которые несколько смещены относительно географических полюсов.

Интересные факты о магнитном поле Земли:

• Индукция магнитного поля Земли на поверхности составляет 25-65 мкТл
• Магнитные полюса Земли периодически меняются местами
• Магнитное поле защищает Землю от космической радиации
• Некоторые животные (например, перелетные птицы) способны ощущать магнитное поле Земли и использовать его для навигации

Для обнаружения и измерения параметров магнитного поля Земли используются высокочувствительные магнитометры. Это позволяет изучать структуру и изменения геомагнитного поля.

Применение методов обнаружения магнитного поля

Способность обнаруживать и измерять магнитные поля находит широкое применение в различных областях науки и техники:

• Геологоразведка — поиск месторождений полезных ископаемых
• Археология — обнаружение древних артефактов
• Медицина — магнитно-резонансная томография
• Космические исследования — изучение магнитных полей планет
• Навигация — компасы и системы ориентации
• Хранение информации — жесткие диски компьютеров

Развитие методов обнаружения и измерения магнитных полей продолжает открывать новые возможности в науке и технологиях.

Заключение

Магнитное поле, несмотря на свою невидимость, играет огромную роль в природе и технике. Существует множество способов обнаружить и визуализировать магнитное поле — от простых опытов с железными опилками до сложных современных приборов. Понимание принципов обнаружения магнитного поля важно для развития многих областей науки и техники.

Направление тока и направление линий его магнитного поля (Зарицкий А.Н.)

На этом уроке мы узнаем о магнитном действии тока на примере опыта Эрстеда и опыта Ампера. Рассмотрим правило буравчика и правило правой руки для прямого проводника с током и для соленоида с током

Продолжительное время электрические и магнитные поля изучались раздельно. Но в 1820 году датский учёный Ханс Кристиан Эрстед во время лекции по физике обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается возле проводника с током (см. Рис. 1). Это доказало магнитное действие тока. После проведения нескольких экспериментов Эрстед обнаружил, что поворот магнитной стрелки зависел от направления тока в проводнике.

Рис. 1. Опыт Эрстеда

Для того чтобы представить, по какому принципу происходит поворот магнитной стрелки вблизи проводника с током, рассмотрим вид с торца проводника (см. Рис. 2, ток  направлен в рисунок,  – из рисунка), возле которого установлены магнитные стрелки. После пропускания тока стрелки выстроятся определённым образом, противоположными полюсами друг к другу. Так как магнитные стрелки выстраиваются по касательным к магнитным линиям, то магнитные линии прямого проводника с током представляют собой окружности, а их направление зависит от направления тока в проводнике.

Рис. 2. Расположение магнитных стрелок возле прямого проводника с током

Для более наглядной демонстрации магнитных линий проводника с током можно провести следующий опыт. Если вокруг проводника с током высыпать железные опилки, то через некоторое время опилки, попав в магнитное поле проводника, намагнитятся и расположатся по окружностям, которые охватывают проводник (см. Рис. 3).

Рис. 3. Расположение железных опилок вокруг проводника с током (Источник)

Для определения направления магнитных линий возле проводника с током существует правило буравчика (правило правого винта) – если вкручивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление линий магнитного поля тока (см. Рис. 4).

Рис. 4. Правило буравчика (Источник)

Также можно использовать правило правой руки – если направить большой палец правой руки по направлению тока в проводнике, то четыре согнутых пальца укажут направление линий магнитного поля тока (см. Рис. 5).

Рис. 5. Правило правой руки (Источник)

Оба указанных правила дают один и тот же результат и могут быть использованы для определения направления тока по направлению магнитных линий поля.

После открытия явления возникновения магнитного поля вблизи проводника с током Эрстед разослал результаты своих исследований большинству ведущих учёных Европы. Получив эти данные, французский математик и физик Ампер приступил к своей серии экспериментов и через некоторое время продемонстрировал публике опыт по взаимодействию двух параллельных проводников с током. Ампер установил, что если по двум расположенным параллельно проводникам течёт электрический ток в одну сторону, то такие проводники притягиваются (см. Рис. 6 б) если ток течёт в противоположные стороны – проводники отталкиваются (см. Рис. 6 а).

Рис. 6. Опыт Ампера (Источник)

Из своих опытов Ампер сделал следующие выводы:

1. Вокруг магнита, или проводника, или электрически заряженной движущейся частицы существует магнитное поле.

2. Магнитное поле действует с некоторой силой на заряженную частицу, движущуюся в этом поле.

3. Электрический ток представляет собой направленное движение заряженных частиц, поэтому магнитное поле действует на проводник с током.

На рисунке 7 изображён проволочный прямоугольник, направление тока в котором показано стрелками. Используя правило буравчика, начертить возле сторон прямоугольника по одной магнитной линии, указав стрелкой её направление.

Рис. 7. Иллюстрация к задаче

Решение

Вдоль сторон прямоугольника (проводящей рамки) вкручиваем мнимый буравчик по направлению тока.

Вблизи правой боковой стороны рамки магнитные линии будут выходить из рисунка слева от проводника и входить в плоскость рисунка справа от него. Это обозначается с помощью правила стрелы в виде точки слева от проводника и крестика справа от него (см. Рис. 8).

Аналогично определяем направление магнитных линий возле других сторон рамки.

Рис. 8. Иллюстрация к задаче

Опыт Ампера, в котором вокруг катушки устанавливались магнитные стрелки, показал, что при протекании по катушке тока стрелки к торцам соленоида устанавливались разными полюсами вдоль мнимых линий (см. Рис. 9). Это явление показало, что вблизи катушки с током есть магнитное поле, а также что у соленоида есть магнитные полюса. Если изменить направление тока в катушке, магнитные стрелки развернутся.

Рис. 9. Опыт Ампера. Образование магнитного поля вблизи катушки с током

Для определения магнитных полюсов катушки с током используется правило правой руки для соленоида

(см. Рис. 10) – если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида, то есть на его северный полюс. Это правило позволяет определять направление тока в витках катушки по расположению её магнитных полюсов.

 

Рис. 10. Правило правой руки для соленоида с током

Определите направление тока в катушке и полюсы у источника тока, если при прохождении тока в катушке возникают указанные на рисунке 11 магнитные полюсы.

Рис. 11. Иллюстрация к задаче

Решение

Согласно правилу правой руки для соленоида, обхватим катушку таким образом, чтобы большой палец показывал на её северный полюс. Четыре согнутых пальца укажут на направление тока вниз по проводнику, следовательно, правый полюс источника тока положительный (см. Рис. 12).

Рис. 12. Иллюстрация к задаче

На данном уроке мы рассмотрели явление возникновения магнитного поля вблизи прямого проводника с током и катушки с током (соленоида). Также были изучены правила нахождения магнитных линий данных полей.

 

Список литературы

1. А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. Физика 9. – Дрофа, 2006.
2. Г.Н. Степанова. Сборник задач по физике. – М.: Просвещение, 2001.
3. А.Фадеева. Тесты физика (7 – 11 классы). – М., 2002.
4. В. Григорьев, Г. Мякишев Силы в природе. – М.: Наука, 1997.

 

Домашнее задание

1. А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. Физика 9: § 44, стр. 149, упр. 35 (1–5) (Источник).
2. Что можно определить, используя правило буравчика?
3. Что можно определить, используя правило правой руки?
4. Определить направление тока по известному направлению магнитных линий (см. Рис. 13).
   
   Рис. 13. Иллюстрация к задаче

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал Clck.ru (Источник).
2. Интернет-портал Class-fizika.narod.ru (Источник).
3. Интернет-портал Festival.1september.ru (Источник).

interneturok.ru

Как определить магнитное поле смартфоном

Автор канала “Atom Duba” показал опыт с железными опилками, чтобы попытаться увидеть и измерить магнитное поле.
Вокруг любого магнита есть невидимое поле, которое обычно рисуют линиями, ведущими из одного полюса в другой. Как это увидеть?

Самый простой способ – взять железных опилок. Насыпаем их на стол. Берём магнит. Подносим под столом полюсом вверх. Что видим? Появились ежики из опилок. Двигаем под столом – ежики движутся вместе. На самом деле видим линии магнитного поля, выходящие из одного из полюсов.

Чтобы разглядеть с другого ракурса поле, магнит развернем набок. Попробуем магнитик поменьше и повторим эксперимент. Теперь наблюдаем магнитное поле с другого ракурса. Стрелка компаса поворачивается в ту же сторону, куда показывают железные опилки. Поэтому такими направленными линиями обозначают вектор магнитного поля. В каждой точке пространства направление свое.

Другой вариант этого эксперимента, где возьмем магнит и облепим опилками. В таком варианте эксперимента увидим поле в трехмерном пространстве. До этого видели его проекцию на плоскость, то есть 2D вариант, а сейчас в пространстве из одного полюса выходят линии по кругу в другой.

Кроме этого, магнитное поле бывает разной величины – посильнее или послабее. Сегодня измерить его величину может смартфон. Включаем программу, которая показывает информацию с датчиков.

Внутри смартфона датчики Холла измеряют магнитное поле вдоль трех координат X,Y, и Z. Можно поднести магнит и посмотреть, как растут показания. Отводим обратно – они уменьшаются. Или повертеть магнитом, стрелочка тоже будет крутиться. Интересно, а почему опилки выстроились вдоль линий?

Чтобы прояснить этот вопрос, возьмем магнит. Это его северный полюс, а это южный полюс. Если поднести к нему монетку, то она прилипнет. Почему? Монетка намагнитилась и прилипла к северному полюсу своим южным. Возьмем вторую монетку. Она прилипает к первой. Можно так дальше продолжать. Они к друг другу липнут. Как такое получается? Дело в том, что кроме того, что монетки взаимодействуют с самим магнитом, они еще и сами на магнитились и взаимодействуют друг с другом. Тоже самое происходит с опилками. Они просто липнут к полюсам друг друга.

izobreteniya.net

Что такое магнитное поле: источники магнитных полей

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:

1. 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

meanders.ru

Обнаружение магнитного поля

При помощи органов чувств человек не может обнаружить магнитное поле. Наличие магнитного поля можно установить при его воздействии на:

• магнитную стрелку,
• проводник с током,
• движущийся электрический заряд.

Так, магнитное поле способно поворачивать в пространстве магнитные стрелки и рамки с токами, то есть на данные объекты наше поле оказывает ориентирующее воздействие. На проводник с током и перемещающийся заряд в магнитном поле действуют магнитные силы, перпендикулярные направлению перемещения зарядов.

Ориентирующее действие магнитного поля

Поместим малую (пробную) рамку с током в магнитное поле.

Замечание 1

Пробная рамка с током отвечает следующим требованиям:

1. Она имеет малые размеры, такие, что ее поведение отражало бы характер поля в точке.
2. Сила тока в рамке должна быть малой, такой, что влияние этого тока на источники исследуемого магнитного поля было бы несущественным.

Повернем нашу рамку на некоторый угол $\alpha $ относительно ее положения равновесия. Тогда на рамку будет оказывать действие момент сил, зависящий от силы тока в рамке $I$, площади ее поверхности $S$:

$M\sim IS\sin {\alpha \, \left( 1 \right),}$

где $\alpha $ – угол поворота рамки.

Если рамку развернуть перпендикулярно силовым линиям поля, тогда $\alpha =\frac{\pi }{2},$, а вращающий момент сил становится наибольшим:

$M_{max}\sim IS\left( 2 \right)$.

Отношение $M_max$ к силе тока и площади сечения рамки будет характеристикой магнитного поля в точке расположения рамки:

$B=\frac{M_{max}}{IS}\left( 3 \right)$.

где $B$ – величина вектора магнитной индукции поля, являющаяся одним из основных параметров, описывающих поле.

Действие магнитного поля на заряженные частицы

Проведем следующий эксперимент. В трубке осциллографа получим прямолинейный пучок электронов, которые движутся по прямой линии. Падая на экран, этот пучок оставит лед в виде небольшого пятна. Приблизим к этому пучку снизу северный полюс линейного магнита. Пучок электронов сместится. Изменим полюс магнита, смещение пучка произойдет в противоположную сторону. Данный эксперимент указывает на то, что перемещающиеся электроны испытывают действие некоторой специфической силы в магнитном поле. Причем опыты показали, что эта сила пропорциональна скорости движения электронов. Подобным образом ведут себя любые другие заряженные частицы, перемещающиеся в магнитном поле.

Сила, действующая на заряженную частицу, перемещающуюся в магнитном поле, называется силой Лоренца, она равна:

$\vec{F}_{L}=q\left( \vec{v}\times \vec{B} \right)\left( 4 \right)$,

где характеристиками частицы являются:

• $q$ – величина заряда частицы;
• $\vec v$ — скорость движения частицы.

характеристикой поля является вектор магнитной индукции.

Выражение (4) является справедливым для постоянных и переменных магнитных полей.

Замечание 2

На заряд, находящийся в покое, магнитное поле не оказывает действия. Индикатором наличия магнитного поля служит перемещающийся заряд.

Формула (4) показывает принципиальный способ измерения индукции магнитного поля по силе воздействия поля на движущийся заряд.

С этой целью убеждаются в отсутствии электрического поля при помощи неподвижного заряда.

Находят такое направление скорости ($\vec v$), при котором сила Лоренца становится равной нулю. Это будет происходить, если вектор скорости сонаправлен или направлен в противоположную сторону вектору индукции. Так, с точностью до знака определяется направление магнитного поля.

Измеряют силу Лоренца при движении заряда нормально к вектору индукции поля. При этом:

$F_{L}=q\left( \vec{v}_{n}\times \vec{B} \right)\left( 5 \right)$,

где $\vec{v}_{n}\quad $ – скорость движения частицы перпендикулярная вектору поля ($\left( \vec{v}_{n}\vec{B} \right)=0)$. Следовательно:

$\vec{B}=\frac{1}{{qv}_{n}^{2}}\left( \vec{F}_{L}\times \vec{v}_{n}\right)\left( 6 \right)$.

Формула (6) однозначно определяет вектор магнитной индукции.

Действие магнитного поля на токи

Эксперименты, показывающие действие магнитного поля на движущиеся заряды, обычно проводят не с отдельными частицами, а с их потоками.

Пусть ток создают движущиеся одинаковые частицы с зарядом $q$. Тогда плотность этого тока выразим как:

$\vec{j}=nq\vec{v}\left( 7 \right)$.

Сила, которая действует в магнитном поле на элемент объема ($dV), равна:dV), равна:

$d\vec{F}=nq\left( \vec{v}\times \vec{B} \right)dV=(\vec{j}\times\vec{B})dV\left( 8 \right)$,

где $N=ndV$ — число частиц в объеме $dV$.

Если ток течет по очень тонкому проводу, площадь сечения которого равна $S$, длина его $dl$ (малая длина), тогда сила, действующая на него в магнитном поле равна:

$d\vec{F}=I\left( d\vec{l}\times \vec{B} \right)\left( 9 \right)$.

где $\vec jdV=I d\vec j$. Направление вектора $ d\vec j$ — совпадает с направлением силы тока.

Выражение (9) называется законом Ампера, а сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера.

Так, обнаружить магнитное поле можно по его воздействию силой Ампера на проводник с током.

Для тока, текущего в прямом проводнике, находящегося в однородном магнитном: поле, силу Ампера можно определить как:

$\vec{F}_{A}=I\left( \vec{l}\times \vec{B} \right)\left( 10 \right)$,

где $l$ — длина прямого проводника.

Модуль силы Ампера из (10) равен:

$F_{A}=IBL\sin \left( \hat{\vec{l}\vec{B}} \right)\left( 11 \right)$.

Вектор силы Ампера перпендикулярен плоскости, в которой лежат $\vec l$ и $\vec B$ и направлен по правилу правого винта.

Магнитное поле, которое создается проводником с током можно обнаружить по его действию на другой проводник с током. Если токи в проводниках направлены в одну сторону, то проводники притягиваются. Будем считать, что наши проводники параллельны, и находятся в вакууме, тогда силы притяжения равны:

$dF=\frac{\mu_{0}I_{1}I_{2}}{2\pi R}dl\left( 12 \right)$,

где R – расстояние между проводниками, $dF$ — сила с которой один проводник действует на элемент ($dl$) другого проводника.

Если токи в проводниках направлены в противоположные стороны, тогда они отталкиваются.

Воздействие токов на магниты

Магниты оказывают действие на электрические токи. В свою очередь токи воздействуют на магниты.

Рассмотрим эксперимент, который проводил Эрстед. Ученый разместил над магнитной стрелкой прямой провод (рис.1) параллельно плоскости стрелки. Стал пропускать ток по проводнику. При этом стрелка, способная вращаться около вертикальной оси, отклонялась и устанавливалась нормально к проводнику. Эрстед изменял направление течения тока, стрелка поворачивалась на 180 °. Тот же эффект возникал, когда проводник переносили под стрелку. Опыт Эрстеда показал связь между электрическими и магнитными явлениями.

Рисунок 1. Эксперимент Эрстеда. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

spravochnick.ru

Что такое магнитное поле 🚩 Естественные науки

Упорядоченное движение заряженных частиц в проводниках называется электрическим током. Для его получения нужно создать электрическое поле при помощи источников тока, совершающих работу по разделению зарядов – положительных и отрицательных. Механическая, внутренняя или какая-либо другая энергия в источнике превращается в электрическую.

Движение заряженных частиц в проводнике невозможно увидеть. Однако судить о наличии тока в цепи можно по косвенным признакам. К таким явлениям относятся, к примеру, тепловое, химическое и магнитное действия тока, причем последнее наблюдается в любых проводниках – твердых, жидких и газообразных.

Вокруг любого проводника с током существует магнитное поле. Оно создается движущимися электрическими зарядами. Если заряды неподвижны, они продуцируют вокруг себя только электрическое поле, но как только возникает ток, появляется еще и магнитное поле тока.

Существование магнитного поля можно обнаружить разными способами. Например, можно использовать для этой цели маленькие железные опилки. В магнитном поле они намагничиваются и превращаются в магнитные стрелочки (как у компаса). Ось каждой такой стрелочки устанавливается по направлению действия сил магнитного поля.

Сам опыт выглядит так. Насыпьте на картонку тонкий слой железных опилок, пропустите сквозь него прямой проводник и включите ток. Вы увидите, как под действием магнитного поля тока опилки расположатся вокруг проводника по концентрическим окружностям. Эти линии, вдоль которых расположились магнитные стрелки, называются магнитными линиями магнитного поля. «Северный полюс» стрелки в каждой точке поля принято считать направлением магнитной линии.

Магнитные линии магнитного поля тока – это замкнутые кривые, охватывающие проводник. С их помощью удобно изображать магнитные поля. И, поскольку магнитное поле есть во всех точках пространства вокруг проводника, через любую точку этого пространства можно провести магнитную линию. Направление магнитных линий зависит от направления тока в проводнике.

www.kakprosto.ru