Силовые линии магнита. Силовые линии магнитного поля: визуализация невидимых сил природы

Что такое силовые линии магнитного поля. Как они выглядят и какими свойствами обладают. Почему силовые линии магнита всегда замкнуты. Как визуализировать магнитное поле с помощью железных опилок.

Что такое силовые линии магнитного поля

Силовые линии магнитного поля — это воображаемые линии, используемые для наглядного представления структуры и направления магнитного поля в пространстве. Они позволяют визуализировать невидимые магнитные силы, действующие вокруг магнитов и проводников с током.

Основные свойства силовых линий магнитного поля:

• Показывают направление действия магнитной силы в каждой точке поля
• Являются замкнутыми и непрерывными
• Выходят из северного полюса магнита и входят в южный
• Никогда не пересекаются
• Их плотность пропорциональна силе магнитного поля

Как выглядят силовые линии магнитного поля

Силовые линии магнитного поля имеют характерную форму в зависимости от источника поля:

Полосовой магнит

У полосового магнита силовые линии выходят из северного полюса, огибают магнит снаружи и входят в южный полюс. Внутри магнита линии направлены от южного полюса к северному, образуя замкнутые петли.

Проводник с током

Вокруг прямого проводника с током силовые линии имеют форму концентрических окружностей. Их плоскость перпендикулярна проводнику, а направление определяется правилом буравчика.

Катушка с током (соленоид)

Внутри длинного соленоида силовые линии параллельны его оси и направлены от южного полюса к северному. Снаружи линии расходятся, образуя картину, похожую на поле полосового магнита.

Почему силовые линии магнита всегда замкнуты

Замкнутость силовых линий магнитного поля обусловлена фундаментальным свойством магнитного поля — отсутствием магнитных зарядов (монополей). В отличие от электрического поля, у которого есть источники и стоки (положительные и отрицательные заряды), магнитное поле не имеет начала и конца.

Это означает, что силовые линии магнитного поля не могут начинаться или заканчиваться в какой-либо точке пространства. Они обязательно должны образовывать замкнутые контуры. Даже у отдельного полюса магнита силовые линии будут изгибаться и возвращаться к противоположному полюсу.

Как визуализировать магнитное поле с помощью железных опилок

Простой способ увидеть силовые линии магнитного поля — использовать мелкие железные опилки. При этом:

1. На лист бумаги или стекла равномерно насыпают тонкий слой железных опилок
2. Под лист помещают исследуемый магнит или проводник с током
3. Слегка постукивая по листу, заставляют опилки выстроиться вдоль силовых линий
4. Образуется характерный узор, показывающий структуру магнитного поля

Каждая железная частица при этом становится крошечным магнитом, ориентируясь вдоль силовых линий. Их совокупность наглядно показывает форму и направление магнитного поля.

Применение силовых линий в науке и технике

Концепция силовых линий магнитного поля широко используется в различных областях:

• Физика — для описания и анализа магнитных явлений
• Электротехника — при проектировании электромагнитных устройств
• Медицина — в работе магнитно-резонансных томографов
• Геофизика — для изучения магнитного поля Земли
• Космология — при исследовании магнитных полей звезд и галактик

Понимание структуры силовых линий позволяет предсказывать поведение магнитных систем и создавать новые технологии.

История открытия силовых линий магнитного поля

Концепция силовых линий магнитного поля была введена английским физиком Майклом Фарадеем в 19 веке. Основные этапы ее развития:

• 1820-е годы — Фарадей начинает исследования электромагнетизма
• 1831 год — открытие электромагнитной индукции
• 1845 год — публикация работы «Экспериментальные исследования электричества», где вводится понятие силовых линий
• 1850-е годы — развитие теории поля Джеймсом Максвеллом
• Конец 19 века — окончательное утверждение концепции электромагнитного поля в физике

Идеи Фарадея о силовых линиях заложили основу современного понимания электромагнитных явлений.

Силовые линии магнитного поля Земли

Магнитное поле Земли также можно представить с помощью силовых линий. Его особенности:

• Линии выходят вблизи южного географического полюса и входят у северного
• На экваторе линии параллельны поверхности Земли
• У полюсов линии почти перпендикулярны поверхности
• Поле имеет сложную структуру из-за влияния внутреннего строения Земли
• Силовые линии искажаются под действием солнечного ветра

Изучение геомагнитного поля важно для понимания процессов в недрах Земли, прогнозирования космической погоды и работы навигационных систем.

Влияние внешних факторов на силовые линии магнитного поля

Структура силовых линий магнитного поля может изменяться под действием различных факторов:

• Присутствие ферромагнитных материалов — концентрируют силовые линии
• Электрические токи — создают дополнительные магнитные поля
• Изменение температуры — влияет на магнитные свойства вещества
• Механические воздействия — могут изменять структуру магнитных доменов
• Электромагнитные волны — вызывают колебания силовых линий

Учет этих факторов важен при проектировании магнитных систем и устройств.

Силовые линии магнитного поля – направление, свойства

4.8

Средняя оценка: 4.8

Всего получено оценок: 214.

4.8

Средняя оценка: 4.8

Всего получено оценок: 214.

Магнитное поле оказывает силовое воздействие на электрические заряды, находящиеся в движении и на тела, имеющие магнитный момент (постоянные магниты). Вместе с электрическим магнитное поле образует единое электромагнитное поле; по аналогии с другими силовыми полями (электрическим и гравитационным) наглядное представление о характере поля дают его силовые линии. Главной количественной характеристикой магнитного поля является магнитная индукция

B, поэтому силовые линии магнитного поля и линии магнитной индукции имеют одно и тоже значение, то есть оба термина могут использоваться наравне друг с другом.

Что такое силовые линии

Выдающийся английский физик Майкл Фарадей (1791-1867), исследовавший природу электромагнитного поля, первым сформулировал понятие силовых линий для электрического и магнитного полей.

Силовые линии магнитного поля обладают следующими основными свойствами:

• Силовые линии — это графическая визуализация (“картина”) изображения силового поля;
• Силовые линии заполняют пространство таким образом, что касательные к ним в каждой точке пространства совпадают по направлению с вектором магнитной индукции;
• Через каждую точку проходит только одна силовая линия;
• Плотность (густота) силовых линий, пронизывающих единичную перпендикулярную площадь, пропорциональна модулю магнитной индукции B на этой площади;
• Силовые линии магнитного поля всегда замкнуты, поскольку магнитное поле является полем вихревого типа. Вихревыми называются любые поля, имеющие замкнутые силовые линии.

М. Фарадей по праву считается одним из первооткрывателей природы электромагнитных явлений. В 1845 г. он первым четко сформулировал понятие об электромагнитном поле. Кроме этого он открыл фундаментальный закон, названный его именем, который гласит о том, что в замкнутом проводящем контуре, через который проходит изменяющийся во времени магнитный поток, возникает разность потенциалов, то есть электродвижущая сила, пропорциональная скорости изменения магнитного потока.

Примеры силовых линий

Наглядное представление о силовых линиях магнитного поля можно получить, если на плоский стеклянный лист, сквозь который пропущен проводник с током, равномерно (в один слой) разложить мелкие железные опилки или опилки из другого ферромагнетика (никеля, кобальта и т.п.). Включение тока приводит к появлению магнитного поля, в котором опилки намагничиваются, то есть становятся “магнитными стрелками” и выстраиваются вдоль силовых линий поля .

Рис. 1. Демонстрация силовых линий магнитного поля от прямого провода с током с помощью железных опилок.

Видно, что силовые линии представляют собой концентрические окружности, которые расположены в плоскости перпендикулярной проводнику. Центры всех окружности лежат на оси проводника.

Следующий пример — силовые линии магнитного поля, которое создает обычный полосовой постоянный магнит.

Рис. 2. Демонстрация силовых линий магнитного поля от полосового магнита с помощью железных опилок.

Направлением вектора магнитной индукции принято считать направление от южного полюса S к северному полюсу N. Хорошо видно, что силовые линии имеют максимальную концентрацию вблизи полюсов N и S. Направления силовых линий магнитного поля имеют сложную геометрическую форму, но все линии непрерывны и замкнуты. Внутри магнита плотность (густота) силовых линий максимальна, а поле однородно. Магнитное поле является однородным, когда магнитная индукция постоянна, то есть = const.

Еще один пример — это соленоид, то есть катушка, изготовленная с помощью намотки гибкого проводника, сохраняющего форму (например, из медной проволоки).

Рис. 3. Демонстрация силовых линий магнитного поля от соленоида.

Оказывается картина силовых линий соленоида очень похожа на силовые линии, которые создаются постоянным полосовым магнитом. Видно, что внутри катушки магнитное поле близко к однородному.

Для определения направления вектора надо пользоваться “правилом буравчика”, которое звучит так: вектор направлен в ту сторону, куда перемещалась бы рукоятка буравчика (с правой резьбой) если ввинчивать его по направлению тока в проводе (или в рамке).

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что такое силовые линии магнитного поля. Силовые линии позволяют наглядно представить пространственное распределение магнитного поля. Приведены основные свойства и примеры силовых линий магнитных полей, созданных прямолинейным проводником, соленоидом и постоянным полосовым магнитом.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

• Владимир Шамшурин

  5/5

Оценка доклада

4.8

Средняя оценка: 4.8

Всего получено оценок: 214.

---

А какая ваша оценка?

Магнитное поле, силовые линии, вектор магнитной индукции, принцип суперпозиции. Курсы по физике

Физика->Магнетизм->магнитное поле->

Тестирование онлайн

• Магнитное поле. Основные понятия

• Магнитное поле. Вектор магнитной индукции

Магнитное поле

Уже в VI в. до н.э. в Китае было известно, что некоторые руды обладают способностью притягиваться друг к другу и притягивать железные предметы. Куски таких руд были найдены возле города Магнесии в Малой Азии, поэтому они получили название магнитов.

Посредством чего взаимодействуют магнит и железные предметы? Вспомним, почему притягиваются наэлектризованные тела? Потому что около электрического заряда образуется своеобразная форма материи — электрическое поле. Вокруг магнита существует подобная форма материи, но имеет другую природу происхождения (ведь руда электрически нейтральна), ее называют магнитным полем.

Для изучения магнитного поля используют прямой или подковообразный магниты. Определенные места магнита обладают наибольшим притягивающим действием, их называют полюсами (северный и южный). Разноименные магнитные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются.

Для силовой характеристики магнитного поля используют вектор индукции магнитного поля B. Магнитное поле графически изображают при помощи силовых линий (линии магнитной индукции). Линии являются замкнутыми, не имеют ни начала, ни конца. Место, из которого выходят магнитные линии — северный полюс (North), входят магнитные линии в южный полюс (South).

Магнитное поле можно сделать «видимым» с помощью железных опилок.

Магнитное поле проводника с током

А теперь о том, что обнаружили Ханс Кристиан Эрстед и Андре Мари Ампер в 1820 г. Оказывается, магнитное поле существует не только вокруг магнита, но и любого проводника с током. Любой провод, например, шнур от лампы, по которому протекает электрический ток, является магнитом! Провод с током взаимодействует с магнитом (попробуйте поднести к нему компас), два провода с током взаимодействуют друг с другом.

Силовые линии магнитного поля прямого тока — это окружности вокруг проводника.

Направление вектора магнитной индукции

Направление магнитного поля в данной точке можно определить как направление, которое указывает северный полюс стрелки компаса, помещенного в эту точку.

Направление линий магнитной индукции зависит от направления тока в проводнике.

Определяется направление вектора индукции по правилу буравчика или правилу правой руки.

Вектор магнитной индукции

Это векторная величина, характеризующая силовое действие поля.

Индукция магнитного поля бесконечного прямолинейного проводника с током на расстоянии r от него:

Индукция магнитного поля в центре тонкого кругового витка радиуса r:

Индукция магнитного поля соленоида (катушка, витки которой последовательно обходятся током в одном направлении):

Принцип суперпозиции

Если магнитное поле в данной точке пространства создается несколькими источниками поля, то магнитная индукция — векторная сумма индукций каждого из полей в отдельности

Силовые магнитные линии: физика и наука о магнетизме

Железные опилки выстраиваются параллельно магнитному полю, делая видимой структуру поля. Это простая закуска в приготовлении, и, поскольку опилки находятся в бутылке, они не создают беспорядка.

---

Тема: 

Инженерия и технологии

Реальные проблемы и решения

Физика

Электричество и магнетизм

Ключевые слова: 

magnetic field

magnet

NGSS and EP&Cs: 

PS

PS2

CCCs

Patterns

Cause and Effect

Scale, Proportion, and Quantity

Structure and Function

---

---

Tools and Материалы

• Пластиковая бутылка из-под воды или бутылка из-под содовой на 16 унций (0,5 литра).
• Железные опилки (доступны в научных музеях или у научных поставщиков, или вы можете использовать магнитный песок — черный песок, собранный путем перетаскивания магнита через богатый железом пляжный песок)
• Пластиковая пробирка, которая вставляется в горлышко бутылки и составляет примерно 75% длины бутылки.
• Воронка
• Изоляционная лента
• Магнит-корова или другой цилиндрический магнит, который помещается в пластиковую трубку (также подойдет набор магнитов-кнопок).

---

Сборка

1. Удалите все этикетки с пластиковой бутылки.
2. Используйте воронку, чтобы заполнить бутылку железными опилками примерно на одну пятую.
3. Оберните верхнюю часть пробирки липкой лентой, чтобы пробирка плотно вошла в горлышко бутылки, полностью закупорив отверстие (см. фото ниже).

4. Вставьте трубку в горлышко бутылки.
5. Вставьте цилиндрический магнит в пробирку и закройте бутылку крышкой. (Нажмите, чтобы увеличить схему этой сборки ниже.)
   

---

Действия и уведомления

Переверните бутылку на бок и поверните ее. Посмотрите, что происходит с железными опилками. Они образуют трехмерный узор, повторяющий магнитное поле магнита.

Обратите особое внимание на то, что происходит на конце магнита. Здесь железные опилки торчат, как остроконечная панк-стрижка.

Вытряхните магнит из трубки и наблюдайте, как рушатся опилки.

---

Что происходит?

Каждый атом в куске железа представляет собой магнит с северным полюсом и южным полюсом. Большинство кусков железа не обладают магнитными свойствами, потому что все атомные магниты направлены в разные стороны.

Когда вы подносите магнит к куску железа, магниты атомов железа выстраиваются в линию с приложенным магнитным полем: все северные полюса атомов железа указывают в одном направлении. Поскольку атомы железа выстраиваются в линию, кусок железа становится магнитом и притягивается к исходному магниту.

В куске железа в форме стержня атомы будут стремиться выстроиться так, что все северные полюса обращены к одному концу стержня, а все южные полюса обращены к другому концу. Поскольку железные опилки имеют форму стержня, атомы выстраиваются вдоль стержня, а стержни выстраиваются параллельно направлению приложенного магнитного поля. Поле цилиндрического магнита выходит из конца магнита, а затем закручивается рядом с его стороной. Железные опилки торчат, как ежик, на концах магнита, но лежат ровно по бокам (щелкните, чтобы увеличить рисунок ниже).

Поскольку железные опилки сами становятся магнитами, их присутствие слегка меняет форму магнитного поля. Тем не менее, эта закуска дает представление о форме магнитного поля в трех измерениях.

Учтите, что если вы хорошо запечатали пластиковую бутылку, вставив пробирку в ее горлышко, то через несколько часов стенки бутылки начнут прогибаться внутрь, особенно если бутылка внутри влажная. Это происходит потому, что железные опилки начнут ржаветь. По мере того как железо ржавеет, оно соединяется с воздухом, попавшим в бутылку, и удаляет кислород из него. Чтобы бутылка не развалилась, просто проткните небольшое отверстие в пластике канцелярской кнопкой. Черный песок с пляжа, который состоит из магнетита и не ржавеет, также можно использовать вместо железных опилок.

---

Дальше

Коровьи магниты — это сильные постоянные магниты, изготовленные из альнико, сплава железа, содержащего алюминий, никель и кобальт. Эти магниты доступны в большинстве магазинов кормов.

Владельцы ранчо кормят этими магнитами своих коров. Магнит оседает в первом желудке коровы. Когда корова случайно съедает кусочки стали или железа, магнит притягивает металлические кусочки и удерживает их в первом желудке. Если бы острые куски металла прошли через пищеварительную систему коровы, животное бы страдало от того, что владельцы ранчо называют «аппаратной болезнью».

---

Похожие закуски

Круги магнетизма

Создайте магнитное поле сильнее, чем у Земли.

Магнитное экранирование

Магнитные линии здесь заканчиваются.

Магнитный фрукт

Узнайте, как оба полюса мощного магнита отталкивают виноград.

---

Эта работа находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International License.

Атрибуция: Педагогический институт Exploratorium

3.1: Магнитные поля — Workforce LibreTexts

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

Идентификатор страницы

3272

• Camosun College
• BCCampus (бесплатно скачать на http://open. bccampus.ca/find-open-textbooks)

Если магнит подвешен в воздухе, он всегда будет вращаться и ориентироваться на северный и южный полюса Земли. Два конца, называемые магнитными полюсами, находятся там, где сила наиболее сильна.

Между двумя полюсами создается силовое магнитное поле. Вы можете думать об этом как о невидимых силовых линиях, идущих от одного полюса к другому. Магнитные линии (линии потока) непрерывны и всегда образуют петли. Эти невидимые линии можно увидеть, если посыпать железными опилками лист бумаги, помещенный над стержневым магнитом (рис. \(\PageIndex{1}\)).

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Магнитные силовые линии (CC BY-NC-SA; Управление отраслевого обучения Британской Колумбии)

Магниты имеют определенные правила, регулирующие их работу.

Магнитные силовые линии имеют направление

Эти линии непрерывны и проходят от северного полюса к южному полюсу магнита (Рисунок \(\PageIndex{2}\)).

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Направление линии потока (CC BY-NC-SA; Управление по обучению промышленности Британской Колумбии)

Магнитные силовые линии всегда образуют полные петли

Линии не начинаются и не заканчиваются на полюсах, а проходят через магнит, образуя полные петли. Если бы вы разрезали магнит пополам, вы могли бы наблюдать магнитное поле между двумя частями магнита (рис. \(\PageIndex{3}\)).

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Магнитные петли (CC BY-NC-SA; BC Industry Training Authority)

Магнитные силовые линии всегда образуют тесные петли

Это правило объясняет идею притяжения. Линии потока пытаются подтянуться как можно ближе к магниту, как резиновые ленты. Они также пытаются сконцентрироваться на каждом полюсе. Если вы поместите два разных полюса вместе, они попытаются стать одним большим магнитом и укоротить силовые линии (рис. \(\PageIndex{4}\)).

Рисунок \(\PageIndex{4}\): Магнитное притяжение (CC BY-NC-SA; BC Industry Training Authority)

Магнитные силовые линии отталкиваются друг от друга

Если магнитные силовые линии действуют как резиновые ленты, почему бы и нет они проваливаются в центр? Причина в том, что они отталкивают друг друга. Посмотрите на рисунок 3; обратите внимание, что линии имеют тенденцию расходиться по мере удаления от полюсов, а не сходиться или даже оставаться параллельными. Это происходит от их взаимного отталкивания.

Магнитные силовые линии никогда не пересекаются, но всегда должны образовывать отдельные петли

Этот эффект объясняется взаимным отталкиванием каждой магнитной линии. Это объясняет, почему одинаковые полюса отталкиваются друг от друга. Если линии не могут пересекаться друг с другом, то они должны действовать друг против друга. Если бы вы могли видеть силовые линии, они выглядели бы так, как показано на диаграмме (рис. \(\PageIndex{5}\)).

Рисунок \(\PageIndex{5}\): Отталкивание (CC BY-NC-SA; Управление отраслевого обучения Британской Колумбии)

Магнитные силовые линии легче проходят через материал, который может намагничиваться

Магнитные силовые линии будут искажаться, чтобы включить в поле кусок железа. Это приведет к превращению железа во временный магнит. Тогда противоположные полюса двух магнитов будут притягиваться друг к другу и пытаться сократить силовые линии. Это объясняет притяжение ненамагниченных ферромагнитных объектов (рис. \(\PageIndex{6}\)).

Рисунок \(\PageIndex{6}\): Железо, легко намагничиваемое (CC BY-NC-SA; Управление по обучению промышленности Британской Колумбии)

Нет изоляции от силовых линий магнитного поля

Все силовые линии магнитного поля должны заканчиваться на противоположном полюсе, а это означает, что их невозможно остановить. Природа должна найти способ вернуть силовые линии магнитного поля обратно к противоположному полюсу. Однако магнитные поля могут быть перенаправлены вокруг объектов. Это форма магнитного экранирования. Окружая объект материалом, который может «проводить» магнитный поток лучше, чем материалы вокруг него, магнитное поле будет стремиться течь вдоль этого материала и избегать объектов внутри. Это позволяет линиям поля заканчиваться на противоположных полюсах, но просто дает им другой маршрут для следования (рисунок \(\PageIndex{7}\)).

Рисунок \(\PageIndex{7}\): Магнитное экранирование (CC BY-NC-SA; Управление по обучению промышленности Британской Колумбии)

Выравнивание атомов

Если взять постоянный магнит и разрезать его пополам, у вас будет два постоянные магниты, каждый с северным и южным полюсом. Если бы вы продолжали резать каждый пополам, у вас было бы больше магнитов. Это говорит о том, что если бы вы могли сократить до атома, он также был бы идеальным постоянным магнитом.

Эту теорию можно распространить и на немагнитные материалы. Каждый из атомов является магнитом, но все они направлены в разные стороны. Если вы сможете получить достаточное количество атомов, направленных в одном направлении, у вас будет магнит. Все, что вам нужно сделать, это подвергнуть кусок металла воздействию линий потока, и атомы выровняются.

Эти атомы имеют тенденцию образовывать группы, называемые доменами. Когда домен становится достаточно большим, весь кусок металла становится доменом и проявляет силу. Когда все атомы выровнены, кусок становится насыщенным и не может стать сильнее.

---

Эта страница под названием 3.1: Magnetic Fields распространяется по лицензии CC BY, автором, ремиксом и/или куратором выступил Camosun College (BCCampus) (бесплатная загрузка на http://open.