Магнитное поле действует на. Действие магнитного поля на проводники с током и движущиеся заряженные частицы

Как магнитное поле воздействует на проводники с током. Почему возникает сила Ампера. Как движутся заряженные частицы в магнитном поле. Применение силы Лоренца в технике.

Взаимодействие проводника с током и магнитного поля

Магнитное поле оказывает силовое воздействие на проводники с током. Это явление было открыто французским физиком Андре Мари Ампером в 1820 году. Рассмотрим, как возникает это взаимодействие:

• Проводник с током создает вокруг себя собственное магнитное поле
• При помещении проводника во внешнее магнитное поле происходит взаимодействие двух полей
• В результате на проводник действует сила, стремящаяся вытолкнуть его из области внешнего поля

Эта сила получила название силы Ампера. Ее направление определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца были направлены по току, то отогнутый большой палец покажет направление силы Ампера.

От чего зависит сила Ампера?

Величина силы Ампера зависит от следующих факторов:

• Силы тока в проводнике (I)
• Длины проводника, находящегося в магнитном поле (l)
• Индукции магнитного поля (B)
• Угла между направлением тока и вектором магнитной индукции (α)

Математически это выражается формулой:

F = BIl sin α

где F — сила Ампера, B — магнитная индукция, I — сила тока, l — длина проводника, α — угол между направлением тока и линиями магнитного поля.

Движение заряженных частиц в магнитном поле

На движущиеся заряженные частицы в магнитном поле действует сила Лоренца. Эта сила всегда перпендикулярна скорости частицы и вектору магнитной индукции. В результате:

• Если частица влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям индукции, она движется по окружности
• Если частица влетает под углом к линиям поля, она движется по спирали
• Если частица движется вдоль линий поля, магнитная сила на нее не действует

Сила Лоренца определяется по формуле:

F = qvB sin α

где q — заряд частицы, v — ее скорость, B — индукция магнитного поля, α — угол между векторами скорости и магнитной индукции.

Практическое применение действия магнитного поля

Взаимодействие проводников с током и магнитного поля широко используется в технике:

• В электродвигателях — для преобразования электрической энергии в механическую
• В электроизмерительных приборах — для измерения силы тока и напряжения
• В ускорителях заряженных частиц — для управления пучками частиц
• В масс-спектрометрах — для разделения ионов по массам

Таким образом, действие магнитного поля на проводники с током и заряженные частицы лежит в основе работы многих современных устройств и технологий.

Почему магнитная сила действует только на движущиеся заряды?

Магнитная сила действует только на движущиеся заряды по следующим причинам:

• Магнитное поле порождается движущимися зарядами (электрическим током)
• Согласно теории относительности, магнитное поле есть проявление электрического поля для движущегося наблюдателя
• Для неподвижного заряда релятивистский эффект отсутствует, поэтому он не испытывает магнитной силы

При этом неподвижные магнитные диполи (например, постоянные магниты) могут взаимодействовать друг с другом благодаря энергии магнитного поля. Но это взаимодействие рассматривается отдельно от силы Лоренца на движущийся заряд.

Примеры расчета силы Ампера

Рассмотрим несколько задач на вычисление силы Ампера:

1. Проводник длиной 10 см с током 5 А помещен в однородное магнитное поле с индукцией 0.2 Тл перпендикулярно линиям поля. Определить силу Ампера.

   Решение: F = BIl = 0.2 Тл * 5 А * 0.1 м = 0.1 Н

2. Какой угол нужно установить между проводником с током 2 А и линиями магнитного поля с индукцией 0.5 Тл, чтобы сила Ампера, действующая на участок проводника длиной 20 см, была равна 0.05 Н?

   Решение: F = BIl sin α, откуда sin α = F / (BIl) = 0.05 / (0.5 * 2 * 0.2) = 0.25

   α = arcsin 0.25 ≈ 14.5°

Таким образом, сила Ампера зависит от взаимной ориентации проводника и магнитного поля, а также от силы тока и длины проводника.

Применение силы Лоренца в технике

Действие силы Лоренца на движущиеся заряженные частицы используется во многих технических устройствах:

• Масс-спектрометры — для определения масс ионов
• Циклотроны и синхротроны — для ускорения заряженных частиц
• Электронно-лучевые трубки — для управления электронным пучком
• Магнитные ловушки — для удержания плазмы в термоядерных реакторах
• Эффект Холла — для измерения магнитных полей

Эти примеры показывают, насколько широко используется взаимодействие движущихся зарядов с магнитным полем в современных технологиях.

Заключение

Действие магнитного поля на проводники с током и движущиеся заряженные частицы является одним из фундаментальных электромагнитных явлений. Оно лежит в основе работы многих технических устройств — от простейших электродвигателей до сложнейших ускорителей элементарных частиц. Понимание законов этого взаимодействия необходимо для разработки новых электромагнитных технологий.

Магнитное поле — что это, определение и ответ

Электрические и магнитные явления связаны, так как имеют общую природу ― электромагнитное поле. Движение электрических зарядов всегда создает магнитное поле, а магнитное поле, в свою очередь, всегда вызывает перемещение электрических зарядов.

Так как ток ― это направленное перемещение электрических зарядов, то протекание тока в проводнике всегда создает магнитное поле вокруг проводника.

Линии магнитного поля, которое создается проводниками с электрическим током.

Для изображения магнитных полей используют магнитные силовые линии ― линии, на которых модуль вектора магнитной индукции одинаков и равен В, а сам вектор магнитной индукции \(\overrightarrow{B}\) направлен по касательной к линии. Линии магнитной индукции всегда замкнуты.

Для обозначения направлений движения тока и направлений магнитных силовых линий, помимо стрелок «вправо» → и «влево» ←, используются знаки «от нас» ― ⊗ или ⊕ (как торец оперения стрелы, летящей от нас), и «к нам» • или ⊙ (как острие летящей на нас стрелы).

Чтобы определить направление вектора магнитной индукции \(\overrightarrow{B}\), которое создает ток, протекающий в прямом проводнике, используется правило правого винта: если представить, что вкручиваешь винт по направлению тока ― то направление вращения винта покажет направление вектора магнитной индукции.

Магнитное поле, которое создает ток в прямом проводнике, представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. При этом, некоторая область магнитного поля всегда направлена на нас, а другая ― от нас.

Чтобы определить направление вектора магнитной индукции \(\overrightarrow{B}\), которое создает ток, в круговом проводнике или витках катушки, используется правило правого винта: если ток вращается по часовой стрелке, то магнитное поле будет направленно «от нас». Если ток течет против часовой стрелки, то ток будет направлен «на нас».

Сила Ампера ― сила, действующая на проводник с током со стороны магнитного поля.

Сила ампера равна

F_A = IBLsinα, где

F_A ― сила Ампера [Н];

I ― сила тока в проводнике [A];

B ― магнитная индукция [Тл];

L ― длина проводника [м];

sinα ― синус угла между проводником и вектором магнитной индукции.

Сила Ампера максимальна, если между проводником и вектором магнитной индукции угол равен α = 90°, так как sinα = sin90° = 1 и F_A = IBLsin90° = IBL.

Если проводник расположен параллельно вектору магнитной индукции, т. е. α = 0° ― сила Ампера отсутствует, так как sinα = sin0° = 0 и F_A = IBLsin0° = 0.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если ладонь расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца указывали направление тока ― то противопоставленный большой палец укажет направление силы Ампера.

Взаимодействие проводников с током

Ток, протекающий в проводнике, создает магнитное поле. Если рядом расположен еще один проводник, в котором протекает ток ― то второй проводник оказывается в магнитном поле, которое создает первый. На проводник в магнитном поле действует сила Ампера, в результате чего проводники с током или притягиваются, или отталкиваются друг от друга.

Пусть в проводниках 1 и 2 токи текут в одном направлении. Тогда первый проводник создает магнитное поле, направленное против часовой стрелки. В области, близлежащей к проводнику 2 это поле направлено перпендикулярно проводнику и от него. Согласно правилу левой руки, сила Ампера, которая действует со стороны магнитного поля, создаваемого проводником 1 на проводник с током 2, F_1-2 направлено в сторону проводника 1.

Проводник 2 действует на проводник 1 аналогично, и сила ампера, с которой магнитное поле проводника 2 действует на проводник 1 F_2-1 направлена в сторону проводника 2.

Таким образом, силы Ампера, с которым действуют проводники друг на друга ― F_1-2 и F_2-1 направлены навстречу друг другу и проводники притягиваются.

Пусть теперь ток в проводнике 2 течет в том же направлении, а ток в проводнике 1 ― в противоположном. Магнитное поле, которое создает проводник 1, будет направлено по часовой стрелке, а в ближайшей к проводнику 2 области ― на нас. Согласно правилу левой руки, такое магнитное поле создает силу Ампера, направленную от проводника 1.

Магнитное поле, которое создает проводник 2, будет направлено как в первом случае, но из-за того, что ток в проводнике 1 течет в противоположную сторону, сила Ампера F_2-1 будет направлена от проводника 2.

Силы Ампера, с которым действуют проводники друг на друга ― F_1-2 и F_2-1 направлены в разные стороны и проводники отталкиваются.

Магнитное поле постоянного магнита. Магниты обладают собственным магнитным полем. Силовые линии магнита выходят из северного магнитного полюса (N) и входят в южный магнитный полюс (S).

Магнитные поля двух магнитов взаимодействуют друг с другом, переориентируя магниты так, чтобы магнитные линии выходили из северного магнитного полюса и входили в ближайший южный магнитный полюс. При этом одинаковые полюса двух магнитов, отталкиваются, а разные ― притягиваются.

Действие магнитного поля на проводник с током 11 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Введение

 

На прошлом уроке мы выяснили, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, линии которого замкнуты (рис. 1).

 

Рис. 1. Линии магнитного поля проводника с током

Опытным путем мы установили, что направление линий магнитного поля вокруг проводника напрямую связано с направлением электрического тока в проводнике и для определения этого направления можно использовать или правило правой руки, или «правило буравчика».

Проведя эксперименты, мы увидели, что небольшой виток из проводника, по которому пропущен электрический ток, то есть виток с током, ведет себя в магнитном поле подобно магнитной стрелке. На виток действует вращающий момент сил, который заставляет разворачиваться его таким образом, чтобы линии магнитного поля пронизывали плоскость витка под прямым углом (рис. 2).

Рис. 2. Действие линий магнитного поля на виток

При этом мы выяснили, что такой виток с током можно использовать для анализа силовых свойств магнитного поля, и ввели физическую величину, которая определяет силовые свойства магнитного поля – это индукция. Единица ее измерения – тесла:

 – индукция магнитного поля

 

Закон взаимодействия токов

 

 

Проведя ряд экспериментов, Андре-Мари Ампер выяснил: два прямых параллельных проводника с током притягиваются друг к другу, если по ним протекают однонаправленные токи, то есть токи одного направления (рис. 3).

 

Рис. 3. Однонаправленные токи

Эти же проводники с током отталкиваются, если по ним протекают токи противоположных направлений (рис. 4).

Рис. 4. Разнонаправленные токи

Анализ проведенных экспериментов позволил Амперу вывести свой знаменитый закон взаимодействия токов: сила взаимодействия двух параллельных проводников с током пропорциональна произведению величин токов в этих проводниках на длину проводников и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками.

Кроме того, мы выяснили, что проводники с током оказывают магнитное действие, а проводник, скрученный в катушку (соленоид), ведет себя подобно постоянному плоскому магниту (рис. 5).

Рис. 5. Соленоид

Определить полярность такого магнита также можно по правилу правой руки (рис. 6): «Если обхватить соленоид ладонью правой руки и направить четыре пальца по направлению тока в нем, то отставленный на 90° большой палец будет указывать направление линий магнитного поля внутри соленоида».

Рис. 6. Определение полярности магнита по правилу правой руки

Теперь ответим на следующий вопрос: почему именно так взаимодействуют параллельные проводники с током? И откуда берется момент сил, заставляющий виток с током разворачиваться между полюсами магнита?

 

Опыт 1

 

 

Чтобы исследовать влияние магнитного тока на проводник с током, необходимо проделать ряд опытов. Для этого мы собрали установку: проводник с током, который помещен между полюсами дугообразного магнита, причем магнит расположен таким образом, чтобы линии магнитного поля, создаваемые им, были направлены снизу вверх, то есть от северного полюса магнита к южному (рис. 7).

 

Рис. 7. Расположение проводника с током между полюсами магнита

Проводник при помощи системы проводов мы подключим к источнику тока так, чтобы при замыкании источника ток в проводнике протекал в направлении данной стрелки (рис. 8).

Рис. 8. Направление тока	Рис. 9. Готовая установка

Посмотрим, что будет, если просто замкнуть цепь (рис. 10).

Рис. 10. Проводник отклонился от своего начального положения

Видим, что проводник при пропускании по нему электрического тока отклонился от своего начального положения, как бы втягиваясь внутрь дугообразного магнита. Теперь посмотрим, как будет вести себя проводник, если изменить направление тока в нем (клеммы «+» и «-» на источнике меняем местами) и замкнуть цепь (рис. 11).

Рис. 11. Движение проводника при смене направления тока

Мы видим, что проводник снова отклоняется от своего начального положения, но при этом он как бы выталкивается из пространства между полюсами магнита.

Итак, мы можем сделать вывод, что магнитное поле на помещенный в него проводник с током действует с некоторой силой. Направление этой силы зависит от направления тока в проводнике. Но возникает вопрос: только ли от направления тока в проводнике она зависит?

 

Опыт 2

 

 

Чтобы ответить на этот вопрос, сделаем следующий шаг: оставим направление тока таким же, каким оно было в последнем опыте, но изменим направление линий магнитного поля. Расположим магнит таким образом, чтобы линии магнитного поля были направлены сверху вниз (от северного полюса к южному) (рис. 12).

 

Рис. 12. Линии магнитного поля направлены сверху вниз

Посмотрим, как себя будет вести проводник с током. При замыкании цепи видно, что проводник при том же самом направлении тока в нем теперь втягивается внутрь пространства между полюсами магнита (рис. 13).

Рис. 13. Проводник втягивается внутрь пространства между полюсами магнита

Для завершения опыта снова изменим направление тока в проводнике и замкнем цепь. Видим, что проводник выталкивается из пространства между полюсами магнита (рис. 14).

Рис. 14. Проводник выталкивается из пространства между полюсами магнита

Мы видим, что поведение проводника с током, помещенного в магнитное поле, определяется направлением тока в проводнике и расположением полюсов магнита. Следовательно, со стороны магнитного поля на помещенный в это поле проводник с током действует сила, направление которой зависит как от направления электрического тока в проводнике, так и от направления линий магнитного поля. То есть все названные направления тесно взаимосвязаны.

Рис. 15. Направление силы  со стороны магнитного поля зависит от направления электрического тока  в проводнике и от линий магнитного поля

 

Правило левой руки

 

 

Еще раз запустим ток по проводнику и попробуем связать между собой указанные три направления (рис. 16).

 

Рис. 16. Проводник снова выталкивается из пространства между полюсами магнита

Видим, что проводник с током снова как бы выталкивается из пространства между полюсами магнита, линии магнитного поля направлены сверху вниз, ток направлен по стрелке (от учителя). Таким образом, можно сделать вывод о взаимосвязи трех вышеуказанных направлений: все три направления взаимно перпендикулярны.

Такая взаимосвязь направлений характерна для левой руки или, как говорят физики, для левой симметрии. Если левую руку расположить таким образом, что четыре пальца ее показывают направление течения тока в проводнике (от плюса к минусу), при этом кисть развернуть так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, то отогнутый на  палец левой руки покажет направление действия силы (рис. 17). Сформулированное нами правило называется правилом левой руки.

Рис. 17. Правило левой руки

Итак, мы выяснили взаимосвязь между тремя направлениями: направлением тока в проводнике, направлением линий магнитного поля, или вектором магнитной индукции, и направлением силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током. Эти три направления связаны правилом левой руки. Но сила, как векторная величина, кроме направления характеризуется и численным значением.

 

Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током

 

 

 

Рис. 18. Андре Мари Ампер (1775–1836)

От чего же зависит величина силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током? Проведя серию экспериментов, Ампер (рис. 18) установил, что величина силы, которая действует со стороны магнитного поля на проводник с током, прямо пропорциональна величине тока, протекающего внутри проводника:

Кроме того, Ампер заметил, что эта же величина силы прямо пропорциональна длине той части проводника, которая находится в магнитном поле:

То есть чем длиннее брать проводник при таком же самом значении тока, тем большая сила со стороны магнитного поля на него действует. Воспользуемся одним математическим правилом: если одна величина пропорциональна двум другим, то она будет пропорциональна их произведению:

То есть величина силы прямо пропорциональна произведению тока на длину части проводника в магнитном поле. Теперь обратим внимание, что размерность силы – ньютон, размерность тока – ампер, размерность длины – метр. Для того чтобы поставить знак равенства между величинами, нам нужно добавить размерность магнитной индукции , следовательно, нужно правую часть умножить на модуль магнитной индукции:

Последнее, что осталось, – это учесть зависимость направления действия силы от взаимного направления тока и вектора магнитной индукции.

Если расположить проводник с током в магнитном поле так, чтобы направление тока совпало с направлением вектора индукции магнитного поля (рис. 19), то при пропускании тока через проводник последний практически не реагирует.

Рис. 19. Направление тока совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля

Если же расположить проводник так, чтобы направление тока было перпендикулярно направлению вектора магнитной индукции, то проводник максимально сильно втягивается в пространство между полюсами магнита (рис. 20).

Рис. 20. Направление тока перпендикулярно направлению вектора магнитной индукции

Итак, когда угол между двумя направлениями (между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока) равен 0 (рис. 21), то сила действия магнитного поля на проводник с током равна 0.

Рис. 21. Угол между направлениями равен

Когда этот угол равен  (рис. 22), то сила действия магнитного поля на проводник с током максимальна.

Рис. 22. Сила действия магнитного поля на проводник максимальна

Тригонометрическая функция, удовлетворяющая вышеназванным условиям, – это синус угла:

– угол между направлением тока и направлением вектора магнитной индукции:

Тогда можно сформулировать следующее утверждение: величина силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, численно равна произведению модуля магнитной индукции на длину элемента проводника, помещенного в магнитное поле, и на величину тока в проводнике, а также пропорциональна синусу угла между направлением тока и направлением вектора магнитной индукции.

Направление же силы определяется по правилу левой руки.

Ампер провел много опытов по определению характера действия силы со стороны магнитного поля на проводник с током. Поэтому введенная им в рассмотрение сила действия со стороны магнитного поля на проводник с током по праву носит название силы Ампера. Открытие силы Ампера позволит нам ответить на вышеизложенные вопросы.

Задание. Почему два проводника с током притягиваются, если токи направлены в одну сторону? На рис. 3 обозначено направление токов в проводниках. Линии магнитной индукции первого проводника направлены так, как показано на рис. 23 (можно определить по правилу правой руки или правого винта).

Рис. 23. Направление линий магнитной индукции и силы Ампера

Это магнитное поле действует на второй проводник, возникает сила Ампера. Ее направление можно определить по правилу левой руки.

Задание. Почему виток с током вращается в магнитном поле (рис. 2)? На проводник с током, образующий рамку, в магнитном поле будет действовать сила Ампера. Ее направление можно узнать, применив правило левой руки: если пальцы будут указывать направление тока, а линии магнитной индукции будут входить в ладонь, то получится, что большой палец указывает нам направление действия силы на части рамки. Для правой части рамки сила действует от наблюдателя, а для левой части рамки – к наблюдателю. Под действием этих сил рамка вращается.

 

Список литературы

1. Соколович Ю. А., Богданова Г. С. Физика: Справочник с примерами решения задач. 2-е издание, передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
2. Касьянов В. А. Физика 11 кл. учебник для общеобразоват. учреждений. 4-е изд. – М.: Дрофа, 2004.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «kaf-fiz-1586.narod.ru» (Источник)
2. Интернет- портал объединения учителей физики Санкт-Петербурга (Источник) 
3. Интернет- портал «sernam.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Дайте определение силы Ампера.
2. Сформулируйте правило левой руки. Для чего оно предназначено?

 

Электромагнетизм | Определение, уравнения и факты

электрическое поле

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Майкл Фарадей Уильям Томсон, барон Кельвин Джеймс Клерк Максвелл Карл Фридрих Гаусс Дж.Дж. Томсон

Похожие темы:

электромагнитное излучение электричество Кулоновская сила магнитная сила электромагнитное поле

См. весь связанный контент →

электромагнетизм , наука о заряде и силах и полях, связанных с зарядом. Электричество и магнетизм — два аспекта электромагнетизма.

Электричество и магнетизм долгое время считались отдельными силами. Лишь в 19 веке к ним, наконец, стали относиться как к взаимосвязанным явлениям. В 1905 году специальная теория относительности Альберта Эйнштейна вне всяких сомнений установила, что оба явления являются аспектами одного общего явления. Однако на практическом уровне электрические и магнитные силы ведут себя совершенно по-разному и описываются разными уравнениями. Электрические силы создаются электрическими зарядами либо в состоянии покоя, либо в движении. Магнитные силы, с другой стороны, создаются только движущимися зарядами и действуют исключительно на движущиеся заряды.

Поймите, как концепция прикосновения меняется при наличии электронов между двумя объектами

Посмотреть все видео к этой статье

Электрические явления происходят даже в нейтральной материи, потому что силы действуют на отдельные заряженные составляющие. В частности, электрическая сила отвечает за большинство физических и химических свойств атомов и молекул. Она невероятно сильна по сравнению с гравитацией. Например, отсутствие хотя бы одного электрона из каждого миллиарда молекул у двух 70-килограммовых (154 фунтов) людей, стоящих на расстоянии двух метров (двух ярдов) друг от друга, отталкивало бы их с силой в 30 000 тонн. В более привычном масштабе электрические явления ответственны за молнии и гром, сопровождающие некоторые бури.

Электрические и магнитные силы можно обнаружить в областях, называемых электрическими и магнитными полями. Эти поля фундаментальны по своей природе и могут существовать в пространстве вдали от заряда или тока, которые их породили. Примечательно, что электрические поля могут создавать магнитные поля и наоборот независимо от внешнего заряда. Изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, как обнаружил английский физик Майкл Фарадей в работе, которая лежит в основе производства электроэнергии. И наоборот, изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, как пришел к выводу шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Математические уравнения, сформулированные Максвеллом, включили световые и волновые явления в электромагнетизм. Он показал, что электрические и магнитные поля путешествуют вместе в пространстве как волны электромагнитного излучения, при этом изменяющиеся поля взаимно поддерживают друг друга. Примерами электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве независимо от материи, являются радио- и телевизионные волны, микроволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Все эти волны распространяются с одинаковой скоростью, а именно со скоростью света (примерно 300 000 километров или 186 000 миль в секунду). Они отличаются друг от друга только частотой, с которой колеблются их электрическое и магнитное поля.

Викторина «Британника»

Физика и естественное право

Уравнения Максвелла до сих пор дают полное и элегантное описание электромагнетизма вплоть до субатомного масштаба, но не включая его. Однако интерпретация его работ была расширена в 20 веке. Специальная теория относительности Эйнштейна объединила электрические и магнитные поля в одно общее поле и ограничила скорость всего вещества скоростью электромагнитного излучения. В конце 19В 60-х годах физики обнаружили, что другие силы в природе имеют поля с математической структурой, аналогичной электромагнитному полю. Этими другими силами являются сильное взаимодействие, ответственное за выделение энергии при ядерном синтезе, и слабое взаимодействие, наблюдаемое при радиоактивном распаде нестабильных атомных ядер. В частности, слабое и электромагнитное взаимодействия были объединены в общую силу, называемую электрослабой силой. Цель многих физиков объединить все фундаментальные силы, включая гравитацию, в одну великую единую теорию до сих пор не достигнута.

Важным аспектом электромагнетизма является наука об электричестве, которая занимается изучением поведения агрегатов заряда, включая распределение заряда в материи и перемещение заряда с места на место. Различные типы материалов классифицируются как проводники или изоляторы в зависимости от того, могут ли заряды свободно перемещаться через составляющие их вещества. Электрический ток является мерой потока зарядов; законы, управляющие токами в материи, важны в технике, особенно в производстве, распределении и контроле энергии.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Понятие напряжения, так же как заряда и тока, является фундаментальным для науки об электричестве. Напряжение — это мера склонности заряда перетекать из одного места в другое; положительные заряды обычно имеют тенденцию перемещаться из области высокого напряжения в область более низкого напряжения. Распространенной проблемой в электричестве является определение соотношения между напряжением и током или зарядом в данной физической ситуации.

В этой статье делается попытка дать качественное понимание электромагнетизма, а также количественную оценку величин, связанных с электромагнитными явлениями.

Повседневная жизнь современного человека пронизана электромагнитными явлениями. Когда лампочка включена, через тонкую нить в колбе течет ток, который нагревает нить до такой высокой температуры, что она светится, освещая все вокруг. Электрические часы и соединения связывают простые устройства такого типа в сложные системы, такие как светофоры, которые отсчитывают время и синхронизируются со скоростью транспортного потока. Радиоприемники и телевизоры получают информацию, переносимую электромагнитными волнами, распространяющимися в пространстве со скоростью света. Чтобы запустить автомобиль, токи в электростартере генерируют магнитные поля, которые вращают вал двигателя и приводят в движение поршни двигателя, сжимая взрывоопасную смесь бензина и воздуха; искра, инициирующая горение, представляет собой электрический разряд, образующий мгновенный ток.

электромагнетизм — Почему магнитная сила действует только на движущиеся заряды?

$\begingroup$

Я не понимаю, почему магнитная сила действует только на движущиеся заряды. Когда у меня есть постоянный магнит и я помещаю другой магнит в его поле, они явно действуют как силы друг на друга, при этом оба они неподвижны. Кроме того, я явно что-то недопонимаю.

• электромагнетизм
• магнитные поля
• заряд
• скорость

$\endgroup$

5

$\begingroup$

Это просто вопрос определения. Магнитная сила не является чем-то независимым или законченным сама по себе. Вместо этого в основе концепции лежит электромагнитная сила. Электромагнитную силу можно разделить на часть, действующую на неподвижные заряды, и часть, действующую на движущиеся заряды. Первую часть мы называем электрической силой, а вторую часть — магнитной силой. Но они не независимы. Они существуют вместе, и разделение всей электромагнитной силы на электрическую и магнитную — это по существу произвольное разделение.

Что касается постоянного магнита: постоянный магнит, как правило, не заряжен, поэтому постоянный магнит нельзя рассматривать как электрический заряд. Обычно лучше рассматривать постоянный магнит как незаряженный магнитный диполь. Неоднородные магнитные поля могут воздействовать на стационарные магнитные диполи. Формулы для магнитных диполей совсем не те, что для электрических зарядов.

$\endgroup$

5

$\begingroup$

На эффективном классическом уровне атомы в постоянных магнитах с по содержат движущиеся электрические заряды на микроскопическом уровне: вращающиеся по орбите электроны. Эти движущиеся заряды соответствуют микроскопическим электрическим токам, и магнитные поля действуют на эти микроскопические токи.

Эта картинка, безусловно, является упрощением основных квантовых эффектов, но я думаю, что она достаточно точна, чтобы прояснить ваше замешательство.

$\endgroup$

1

$\begingroup$

Точнее, магнитная сила действует на токи. Движущаяся частица подразумевает течение, хотя не все течения соответствуют классическому видимому движению. Так обстоит дело с микроскопическими токами в постоянных магнитах.

$\endgroup$

3

$\begingroup$

Как упоминалось в комментарии к вопросу: с точки зрения релятивистской физики есть способ ответить на ваш вопрос.

С точки зрения дорелятивистской физики это нечто, что должно быть предоставлено для того, чтобы сформулировать теорию электромагнетизма. Другими словами: с точки зрения физики до введения релятивистской физики тот факт, что магнетизм пропорционален скорости, должен быть принят как 9081 .0082 .

Имеется набор заметок Даниэля В. Шредера под названием:
Магнетизм, излучение и теория относительности

Предварительное замечание:
Электрическое поле чрезвычайно сильное. Оно гораздо сильнее, чем мы склонны ожидать, поскольку в повседневной жизни мы никогда не сталкиваемся с этим. Эффекты статического электрического заряда, которые мы можем ощущать в повседневной жизни, ничтожны, потому что никогда не бывает больше, чем мельчайшая разница зарядов.

В этом наборе заметок Даниэля Шредера указано следующее: ток, протекающий по проводу, представляет собой совокупность электронов, движущихся относительно провода.

С точки зрения дорелятивистской теории электричества и магнетизма: провод везде нейтрален, потому что плотность положительных и отрицательных зарядов везде одинакова.

Теперь с точки зрения релятивистской физики:
Мы принимаем проволоку в целом в качестве стационарной точки отсчета. Тогда популяция свободно перемещающихся электронов в проводе имеет (в среднем) скорость относительно этой стационарной точки отсчета. Для этой скорости существует соответствующее сокращение длины. Так что в этом смысле проволока и популяция электронов не имеют одного и того же заряда плотность .

Шредер показывает, что магнитные эффекты можно объяснить этой разницей в плотности заряда.

Это, конечно, нелогично на нескольких уровнях. Во-первых, всегда утверждается, что релятивистские эффекты требуют релятивистских скоростей, чтобы их вообще можно было измерить.

(Средняя) скорость электронной популяции очень, очень мала. Дело в том, что кулоновская сила настолько ошеломляюще сильна, что магнетизм действительно может быть объяснен таким образом.

(Одна вещь, которая меня беспокоит, это то, что в этих заметках Шредера относительность одновременности не обсуждается. Я подозреваю, что заметки Шредера представляют собой чрезмерное упрощение. Цифры проверяются, так что Шредер делает что-то правильно, но мы не можем быть уверенным в том, что сделано правильно.)

$\endgroup$

$\begingroup$

Магнитное поле влияет на стационарный электрический заряд.

«когда у меня есть постоянный магнит и я помещаю другой магнит в его поле, они явно действуют друг на друга, при этом оба остаются неподвижными»

— это именно тот случай, который справедлив и для электрона.

Электрон является одновременно электрическим зарядом и магнитным диполем. Любое описание внутренних токов в электроне, создающих магнитный диполь, излишне. Вполне достаточно считать магнитное поле электрона столь же фундаментальным, как и его электрическое поле.

Подробное описание того, почему электрон, движущийся через магнитное поле, отклоняется вбок (сила Лоренца, эффект(ы) Холла), смотрите здесь.

$\endgroup$

2

$\begingroup$

Прочитав некоторые другие ответы, я думаю, что есть более простое и фундаментальное объяснение.

Согласно теории поля, вместо того, чтобы рассматривать взаимодействия между частицами и полем, мы можем рассматривать взаимодействия между полями, связанными с частицами. 92}$ — это взаимодействие между двумя заряженными частицами, каждая со своим электрическим полем.

Магнитные взаимодействия немного сложнее, но мы также можем понимать магнетизм как взаимодействие между объектами, каждый из которых имеет свое собственное магнитное поле.

Теперь к вашему вопросу.

Статический электрический заряд создает электрическое поле, но не магнитное поле, согласно соответствующему уравнению Максвелла. $\vec\nabla\cdot \vec E = \frac{\rho}{\epsilon_0}$.

Движущийся заряд имеет магнитное поле, определяемое как $\vec\nabla\times \vec B = \mu_0 ( \vec J + \epsilon_0 \frac{\partial \vec E}{\partial t})$. в котором плотность тока $J = q\cdot \vec v$

Следовательно, магнитное поле взаимодействует с движущимся зарядом, потому что у движущегося заряда тоже есть магнитное поле, но не со статическим зарядом, потому что у статического заряда нет магнитного поля.

$\endgroup$

$\begingroup$

В качестве простого (почти) частного случая принципа, изложенного @Cleonis, представьте два изначально стационарных заряда, начинающихся на небольшом расстоянии друг от друга. Под действием кулоновской (электростатической) силы они будут ускоряться друг от друга (если они похожи на заряды) или вместе (если они имеют противоположные заряды).

Теперь подумайте об этой же паре зарядов с точки зрения наблюдателя, который движется перпендикулярно смещению между двумя зарядами, так что для этого наблюдателя заряды сначала кажутся движущимися параллельно друг другу и перпендикулярно к промежутку между ними.