Хорошо известно широкое применение магнитного поля в быту, на производстве и в научных исследованиях. Достаточно назвать такие устройства, как генераторы переменного тока, электродвигатели, реле, ускорители элементарных частиц и различные датчики. Рассмотрим подробнее, что собой представляет магнитное поле и как оно образуется.
Что такое магнитное поле - определение
Магнитное поле - это силовое поле, действующее на движущиеся заряженные частицы. Размер магнитного поля завит от скорости его изменения. Согласно этому признаку выделяют два типа магнитного поля: динамическое и гравитационное.
Гравитационное магнитное поле возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей их строения. Источниками динамического магнитного поля являются движущиеся электрические заряды или заряженные тела, проводники с током, а также намагниченные вещества.
Свойства магнитного поля
Великому французскому ученому Андре Амперу удалось выяснить два основополагающих свойства магнитного поля:
- Основное отличие магнитного поля от электрического и его основное свойство состоит в том, что оно носит относительный характер. Если вы возьмете заряженное тело, оставите его неподвижным в какой-либо системе отсчета и поместите рядом магнитную стрелку, то она будет, как обычно, указывать на север. То есть она не обнаружит никакого поля, кроме земного. Если же вы начнете перемещать это заряженное тело относительно стрелки, то она начнет поворачиваться - это говорит о том, что при движении заряженного тела возникает еще и магнитное поле, кроме электрического. Таким образом, магнитное поле появляется тогда и только тогда, когда есть движущийся заряд.
- Магнитное поле действует на другой электрический ток. Так, обнаружить его можно, проследив движение заряженных частиц, - в магнитном поле они будут отклоняться, проводники с током будут двигаться, рамка с током поворачиваться, намагниченные вещества смещаться. Здесь следует вспомнить магнитную стрелку компаса, обычно окрашенную в синий цвет, - ведь это просто кусочек намагниченного железа. Он всегда ориентируется на север, потому что Земля обладает магнитным полем. Вся наша планета является огромным магнитом: на Северном полюсе находится южный магнитный пояс, а на Южном географическом полюсе находится северный магнитный полюс.
Кроме этого, к свойствам магнитного поля относят следующие характеристики:
- Сила магнитного поля описывается магнитной индукцией - это векторная величина, определяющая, с какой силой магнитное поле влияет на движущиеся заряды.
- Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа. Первое порождается не изменяющимся во времени электрическим полем, индукция такого поля также неизменна. Второе чаще всего генерируется при помощи индукторов, питающихся переменным током.
- Магнитное поле не может быть воспринято органами чувств человека и фиксируется только специальными датчиками.
В прошлом веке разными учеными было выдвинуто несколько предположений о том, магнитное поле Земли. Согласно одному из них, поле появляется в результате вращения планеты вокруг своей оси.
Она основана на любопытном эффекте Барнета-Энштейна, который заключается в том, что при вращении любого тела возникает магнитное поле. Атомы в этом эффекте имеют свой магнитный момент, так как вращаются вокруг своей оси. Так появляется магнитное поле Земли. Однако эта гипотеза не выдержала экспериментальных проверок. Оказалось, что магнитное поле, полученное таким нетривиальным образом, в несколько миллионов раз слабее реального.
Другая гипотеза основана на появлении магнитного поля вследствие кругового движения заряженных частиц (электронов) на поверхности планеты. Она тоже оказалась несостоятельной. Движение электронов способно вызвать появление очень слабого поля, к тому же эта гипотеза не объясняет инверсии магнитного поля Земли. Известно, что северный магнитный полюс не совпадает с северным географическим.
Солнечный ветер и токи мантии
Механизм образования магнитного поля Земли и других планет Солнечной системы до конца не изучен и пока что остается загадкой для ученых. Тем не менее, одна предложенная гипотеза довольно хорошо объясняет инверсию и величину индукции реального поля. Она основана на работе внутренних токов Земли и солнечного ветра.
Внутренние токи Земли протекают в мантии, которая состоит из веществ, обладающих очень хорошей проводимостью. Источником тока выступает ядро. Энергия от ядра к поверхности земли передается с помощью конвекции. Таким образом, в мантии наблюдается постоянное движение вещества, которое и образует магнитное поле по известному закону движения заряженных частиц. Если связывать его появление только с внутренними токами, получается, что все планеты, у которых направление вращения совпадает с направлением вращения Земли, должны иметь идентичное магнитное поле. Однако это не так. У Юпитера северный географический полюс совпадает с северным магнитным.
В образовании магнитного поля Земли участвуют не только внутренние токи. Давно известно, что оно реагирует на солнечный ветер, поток высокоэнергетических частиц, идущих от Солнца в результате реакций, происходящих на его поверхности.
Солнечный ветер по своей природе представляет собой электрический ток (движение заряженных частиц). Увлекаемый вращением Земли, он создает круговой ток, который приводит к появлению магнитного поля Земли.
Магнитное поле и его характеристики. При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле . Магнитное поле представляет собой один из видов материи. Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю (рис. 34). Магнитное поле образуется только вокруг движущихся электрических зарядов, и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды. Магнитное и электрические поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле . Всякое изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля и, наоборот, всякое изменение магнитного поля сопровождается возникновением электрического поля. Электромагнитное поле распространяется со скоростью света, т. е. 300 000 км/с.
Графическое изображение магнитного поля. Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми линиями, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля; магнитные силовые линии всегда являются непрерывными и замкнутыми. Направление магнитного поля в каждой точке может быть определено при помощи магнитной стрелки. Северный полюс стрелки всегда устанавливается в направлении действия сил поля. Конец постоянного магнита, из которого выходят силовые линии (рис. 35, а), принято считать северным полюсом, а противоположный конец, в который входят силовые линии,- южным полюсом (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны). Распределение силовых линий между полюсами плоского магнита можно обнаружить при помощи стальных опилок, насыпанных на лист бумаги, положенный на полюсы (рис. 35, б). Для магнитного поля в воздушном зазоре между двумя параллельно расположенными разноименными полюсами постоянного магнита характерно равномерное распределение силовых магнитных линий (рис. 36) (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны).
Рис. 37. Магнитный поток, пронизывающий катушку при перпендикулярном (а) и наклонном (б) ее положениях по отношению к направлению магнитных силовых линий.
Для более наглядного изображения магнитного поля силовые линии располагают реже или гуще. В тех местах, где магнитное роле сильнее, силовые линии располагают ближе друг к другу, там же, где оно слабее,- дальше друг от друга. Силовые линии нигде не пересекаются.
Во многих случаях удобно рассматривать магнитные силовые линии как некоторые упругие растянутые нити, которые стремятся сократиться, а также взаимно отталкиваются друг от друга (имеют взаимный боковой распор). Такое механическое представление о силовых линиях позволяет наглядно объяснить возникновение электромагнитных сил при взаимодействии магнитного поля и Проводника с током, а также двух магнитных полей.
Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток, магнитная проницаемость и напряженность магнитного поля.
Магнитная индукция и магнитный поток. Интенсивность магнитного поля, т. е.способность его производить работу, определяется величиной, называемой магнитной индукцией. Чем сильнее магнитноe поле, созданное постоянным магнитом или электромагнитом, тем большую индукцию оно имеет. Магнитную индукцию В можно характеризовать плотностью силовых магнитных линий, т. е. числом силовых линий, проходящих через площадь 1 м 2 или 1 см 2 , расположенную перпендикулярно магнитному полю. Различают однородные и неоднородные магнитные поля. В однородном магнитном поле магнитная индукция в каждой точке поля имеет одинаковое значение и направление. Однородным может считаться поле в воздушном зазоре между разноименными полюсами магнита или электромагнита (см.рис.36) при некотором удалении от его краев. Магнитный поток Ф, проходящий через какую-либо поверхность, определяется общим числом магнитных силовых линий, пронизывающих эту поверхность, например катушку 1 (рис. 37, а), следовательно, в однородном магнитном поле
Ф = BS (40)
где S - площадь поперечного сечения поверхности, через которую проходят магнитные силовые линии. Отсюда следует, что в таком поле магнитная индукция равна потоку, поделенному на площадь S поперечного сечения:
B = Ф /S (41)
Если какая-либо поверхность расположена наклонно по отношению к направлению магнитных силовых линий (рис. 37, б), то пронизывающий ее поток будет меньше, чем при перпендикулярном ее положении, т. е. Ф 2 будет меньше Ф 1 .
В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб), эта единица имеет размерность В*с (вольт-секунда). Магнитная индукция в системе единиц СИ измеряется в теслах (Тл); 1 Тл = 1 Вб/м 2 .
Магнитная проницаемость.
Магнитная индукция зависит не только от силы тока, проходящего по прямолинейному проводнику или катушке, но и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Величиной, характеризующей магнитные свойства среды, служит абсолютная магнитная проницаемость? а. Единицей ее измерения является генри на метр (1 Гн/м = 1 Ом*с/м).
В среде с большей магнитной проницаемостью электрический ток определенной силы создает магнитное поле с большей индукцией. Установлено, что магнитная проницаемость воздуха и всех веществ, за исключением ферромагнитных материалов (см. § 18), имеет примерно то же значение, – что и магнитная проницаемость вакуума. Абсолютную магнитную проницаемость вакуума называют магнитной постоянной, ? о = 4?*10 -7 Гн/м. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов в тысячи и даже десятки тысяч раз больше магнитной проницаемости неферромагнитных веществ. Отношение магнитной проницаемости? а какого-либо вещества к магнитной проницаемости вакуума? о называют относительной магнитной проницаемостью:
? = ? а /? о (42)
Напряженность магнитного поля. Напряженность И не зависит от магнитных свойств среды, но учитывает влияние силы тока и формы проводников на интенсивность магнитного поля в данной точке пространства. Магнитная индукция и напряженность связаны отношением
H = B/? а = B/(?? о) (43)
Следовательно, в среде с неизменной магнитной проницаемостью индукция магнитного поля пропорциональна его напряженности.
Напряженность магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м) или амперах на сантиметр (А/см).
Магнитное поле – это особая форма материи, которая создается магнитами, проводниками с током (движущимися заряженными частицами) и которую можно обнаружить по взаимодействию магнитов, проводников с током (движущихся заряженных частиц).
Опыт Эрстеда
Первыми экспериментами (проведены в 1820 г.), показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физика Х. Эрстеда.
Магнитная стрелка, расположенная вблизи проводника, поворачивается на некоторый угол при включении тока в проводнике. При размыкании цепи стрелка возвращается в исходное положение.
Из опыта Г. Эрстеда следует, что вокруг этого проводника существует магнитное поле.
Опыт Ампера
Два параллельных проводника, по которым протекает электрический ток, взаимодействуют между собой: притягиваются, если токи сонаправлены, и отталкиваются, если токи направлены противоположно. Это происходит из-за взаимодействия возникающих вокруг проводников магнитных полей.
Свойства магнитного поля
1. Материально, т.е. существует независимо от нас и наших знаний о нём.
2. Создаётся магнитами, проводниками с током (движущимися заряженными частицами)
3. Обнаруживается по взаимодействию магнитов, проводников с током (движущихся заряженных частиц)
4. Действует на магниты, проводники с током (движущиеся заряженные частицы) с некоторой силой
5. Никаких магнитных зарядов в природе не существует. Нельзя разделить северный и южный полюсы и получить тело с одним полюсом.
6. Причина, вследствие которой тела обладают магнитными свойствами, была найдена французским учёным Ампером. Ампер выдвинул заключение - магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него.
Эти токи представляют собой движение электронов по орбитам в атоме.
Если плоскости, в которых циркулируют эти токи, расположены беспорядочно по отношению друг к другу вследствие теплового движения молекул, составляющих тело, то их взаимодействия взаимно компенсируются и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает.
И наоборот: если плоскости, в которых вращаются электроны, параллельны друг другу и направления нормалей к этим плоскостям совпадают, то такие вещества усиливают внешнее магнитное поле.
7. Магнитные силы действуют в магнитном поле по определенным направлениям, которые называют магнитными силовыми линиями. С их помощью можно удобно и наглядно показывать магнитное поле в том или ином случае.
Чтобы более точно изобразить магнитное поле, условились в тех местах, где поле сильнее, показывать силовые линии расположенными гуще, т.е. ближе друг к другу. И наоборот, в местах, где поле слабее, показывают силовые линии в меньшем количестве, т.е. расположенными реже.
8. Магнитное поле характеризует вектор магнитной индукции.
Вектор магнитной индукции - векторная величина, характеризующая магнитное поле.
Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса свободной магнитной стрелки в данной точке.
Направление вектора индукции поля и силы тока I связаны «правилом правого винта (буравчика)»:
если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление скорости движения конца его рукоятки в данной точке совпадет с направлением вектора магнитной индукции в этой точке.
Магнитное поле и его характеристики
План лекции:
Магнитное поле, его свойства и характеристики.
Магнитное поле - форма существования материи, окружающей движущиеся электрические заряды (проводники с током, постоянные магниты).
Это название обусловлено тем, что, как обнаружил в 1820 году датский физик Ханс Эрстед, оно оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку. Опыт Эрстеда: под проволокой с током помещалась магнитная стрелка, вращающаяся на игле. При включении тока она устанавливалась перпендикулярно проволоке; при изменении направления тока поворачивалась в противоположную сторону.
Основные свойства магнитного поля:
порождается движущимися электрическими зарядами, проводниками с током, постоянными магнитами и переменным электрическим полем;
действует с силой на движущиеся электрические заряды, проводники с током, намагниченные тела;
переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле.
Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер и должно иметь векторную силовую характеристику. Ее обозначают и называют магнитной индукцией.
Магнитное поле изображается графически с помощью магнитных силовых линий или линий магнитной индукции. Магнитными силовыми линиями называются линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются железные опилки или оси маленьких магнитных стрелок. В каждой точке такой линии вектор направлен по касательной.
Линии магнитной индукции всегда замкнуты, что говорит об отсутствии в природе магнитных зарядов и вихревом характере магнитного поля.
Условно они выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Густота линий выбирается так, чтобы число линий через единицу площади, перпендикулярную магнитному полю, было пропорционально величине магнитной индукции.
Н
Магнитное соленоида с током
Аправление линий определяется правилом правого винта. Соленоид - катушка с током, витки которой расположены вплотную друг к другу, а диаметр витка много меньше длины катушки.
Магнитное поле внутри соленоида является однородным. Магнитное поле называется однородным, если вектор в любой точке постоянен.
Магнитное поле соленоида аналогично магнитному полю полосового магнита.
С
оленоид
с током представляет собой электромагнит.
Опыт показывает, что для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции : индукция магнитного поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме индукций магнитных полей, создаваемых каждым током или зарядом:
Вектор вводится одним из 3-х способов:
а) из закона Ампера;
б) по действию магнитного поля на рамку с током;
в) из выражения для силы Лоренца.
А
мпер
экспериментально установил, что сила
с которой магнитное поле действует на
элемент проводника
с током I, находящегося в
магнитном поле, прямо пропорциональна
силе
тока I и векторному произведению элемента длины на магнитную индукцию :
- закон Ампера
Н
аправление
вектора
может быть найдено согласно общим
правилам векторного произведения,
откуда следует правило левой руки: если
ладонь левой руки расположить так, чтобы
магнитные силовые линии входили в нее,
а 4 вытянутых пальца направить по току,
то отогнутый большой палец покажет
направление силы.
Сила, действующая на провод конечной длины, найдется интегрированием по всей длине.
При I = const, B=const, F = BIlsin
Если =90 0 , F = BIl
Индукция магнитного поля - векторная физическая величина, численно равная силе, действующей в однородном магнитном поле на проводник единичной длины с единичной силой тока, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям.
1Тл - индукция однородного магнитного поля, в котором на проводник длиной 1м с током в 1А, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям, действует сила 1Н.
До
сих пор мы рассматривали макротоки,
текущие в проводниках. Однако, согласно
предположению Ампера, в любом теле
существуют микроскопические токи,
обусловленные движением электронов в
атомах. Эти микроскопические молекулярные
токи создают свое магнитное поле и могут
поворачиваться в полях макротоков,
создавая в теле дополнительное магнитное
поле. Вектор
характеризует результирующее магнитное
поле, создаваемое всеми макро- и
микротоками, т.е. при одном и том же
макротоке вектор
в
различных средах имеет разные значения.
Магнитное поле макротоков описывается вектором магнитной напряженности .
Для однородной изотропной среды
,
0 = 410 -7 Гн/м - магнитная постоянная, 0 = 410 -7 Н/А 2 ,
- магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков изменяется за счет поля микротоков среды.
Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного потока.
Потоком вектора (магнитным потоком) через площадку dS называется скалярная величина, равная
где - проекция на направление нормали к площадке;
- угол между векторами и .
Направленный элемент поверхности,
Поток вектора - алгебраическая величина,
если
- при выходе из поверхности;
если
- при входе в поверхность.
Поток вектора магнитной индукции через произвольную поверхность S равен
Для однородного магнитного поля =const,
1
Вб - магнитный поток, проходящий через
плоскую поверхность площадью 1 м 2 ,
расположенную перпендикулярно однородному
магнитному полю, индукция которого
равна 1 Тл.
Магнитный поток через поверхность S численно равен количеству магнитных силовых линий, пересекающих данную поверхность.
Поскольку линии магнитной индукции всегда замкнуты, для замкнутой поверхности число линий, входящих в поверхность (Ф 0), следовательно, полный поток магнитной индукции через замкнутую поверхность равен нулю.
- теорема Гаусса
: поток вектора
магнитной индукции через любую замкнутую
поверхность равен нулю.
Эта теорема является математическим выражением того, что в природе отсутствуют магнитные заряды, на которых начинались бы или заканчивались линии магнитной индукции.
Закон Био-Савара-Лапласа и его применение для расчета магнитных полей.
Магнитное поле постоянных токов различной формы было подробно исследовано фр. учеными Био и Саваром. Ими было установлено, что во всех случаях магнитная индукция в произвольной точке пропорциональна силе тока, зависит от формы, размеров проводника, расположения этой точки по отношению к проводнику и от среды.
Результаты этих опытов были обобщены фр. математиком Лапласом, который учел векторный характер магнитной индукции и высказал гипотезу о том, что индукция в каждой точке представляет собой, согласно принципу суперпозиции, векторную сумму индукций элементарных магнитных полей, создаваемых каждым участком этого проводника.
Лапласом в 1820 г. был сформулирован закон, который получил название закона Био-Савара-Лапласа: каждый элемент проводника с током создает магнитное поле, вектор индукции которого в некоторой произвольной точке К определяется по формуле:
- закон Био-Савара-Лапласа.
Из закона Био-Совара-Лапласа следует, что направление вектора совпадает с направлением векторного произведения . Такое же направление дает и правило правого винта (буравчика).
Учитывая, что ,
Элемент проводника, сонаправленный с током;
Радиус-вектор, соединяющий c точкой K;
Закон Био-Савара-Лапласа имеет практическое значение, т.к. позволяет найти в заданной точке пространства индукцию магнитного поля тока, текущего по проводнику конечный размеров и произвольной формы.
Для тока произвольной формы подобный расчет представляет собой сложную математическую задачу. Однако, если распределение тока имеет определенную симметрию, то применение принципа суперпозиции совместно с законом Био-Савара-Лапласа дает возможность относительно просто рассчитать конкретные магнитные поля.
Рассмотрим некоторые примеры.
А. Магнитное поле прямолинейного проводника с током.
для проводника конечной длины:
для проводника бесконечной длины: 1 = 0, 2 =
Б. Магнитное поле в центре кругового тока:
=90 0 , sin=1,
Эрстедом в 1820 году экспериментально было обнаружено, что циркуляция по замкнутому контуру, окружающему систему макротоков, пропорциональна алгебраической сумме этих токов. Коэффициент пропорциональности зависит от выбора системы единиц и в СИ равен 1.
Ц
иркуляцией
вектора
называется интеграл по замкнутому
контуру.
Эта формула носит название теоремы о циркуляции или закона полного тока :
циркуляция вектора напряженности магнитного поля по произвольному замкнутому контуру равна алгебраической сумме макротоков (или полному току), охватываемых этим контуром. его характеристики В пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле , называемое магнитным . Наличие магнитного поля обнаруживается...
О реальной структуре электромагнитного поля и его характеристиках распространения в виде плоских волн.
Статья >> ФизикаО РЕАЛЬНОЙ СТРУКТУРЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ И ЕГО ХАРАКТЕРИСТИКАХ РАСПРОСТРАНЕНИЯ В ВИДЕ ПЛОСКИХ ВОЛН... другие составляющие единого поля : электромагнитное поле с векторными компонентами и, электрическое поле с компонентами и, магнитное поле с компонентами...
Магнитное поле , цепи и индукция
Реферат >> Физика... поля ). Основной характеристикой магнитного поля является его сила, определяемая вектором магнитной индукции (вектор индукции магнитного поля ). В СИ магнитная ... , обладающими магнитным моментом. Магнитное поле и его параметры Направление магнитных линий и...
Магнитное поле (2)
Реферат >> ФизикаУчасток проводника АВ с током в магнитное поле перпендикулярно его магнитным линями. При показанном на рисунке... величина зависит только от магнитного поля и может служить его количественной характеристикой . Эта величина принимается...
Магнитные материалы (2)
Реферат >> ЭкономикаМатериалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем , выражающееся в его изменении, а также в других... и после прекращения воздействия магнитного поля .1. Основные характеристики магнитных материаловМагнитные свойства материалов характеризуется...