Что такое магнитное поле определение в физике: Магнитное поле — все статьи и новости

Подведем итоги урока:

Что мы узнали нового на уроке?

Понятие электромагнитного поля.

Источники электромагнитного поля.

Вихревое электрическое и электростатическое поля.

Оценки за урок.

Урок окончен, до свидания.

Список литературы:

1. Пёрышкин А.В. Физика. 9 кл.: Учебник для общеобразовательных учебных заведений / А.В. Пёрышкин, Е.М. Гутник. – 5-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2002.

Магнитное поле. Линии – материалы для подготовки к ЕГЭ по Физике

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Магнитные свойства вещества известны людям давно. Магниты получили своё название от античного города Магнесия: в его окрестностях был распространён минерал (названный впоследствии магнитным железняком или магнетитом), куски которого притягивали железные предметы.

Взаимодействие магнитов

На двух сторонах каждого магнита расположены северный полюс и южный полюс. Два магнита притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами и отталкиваются одноимёнными. Магниты могут действовать друг на друга даже сквозь вакуум! Всё это напоминает взаимодействие электрических зарядов, однако взаимодействие магнитов не является электрическим. Об этом свидетельствуют следующие опытные факты.

• Магнитная сила ослабевает при нагревании магнита. Сила же взаимодействия точечных зарядов не зависит от их температуры.

• Магнитная сила ослабевает, если трясти магнит. Ничего подобного с электрически заряженными телами не происходит.

• Положительные электрические заряды можно отделить от отрицательных (например, при электризации тел). А вот разделить полюса магнита не получается: если разрезать магнит на две части, то в месте разреза также возникают полюса, и магнит распадается на два магнита с разноимёнными полюсами на концах (ориентированных точно так же, как и полюса исходного магнита).

Таким образом, магниты всегда двухполюсные, они существуют только в виде диполей. Изолированных магнитных полюсов (так называемых магнитных монополей — аналогов электрического заряда)в при роде не существует (во всяком случае, экспериментально они пока не обнаружены). Это, пожалуй, самая впечатляющая асимметрия между электричеством и магнетизмом.

• Как и электрически заряженные тела, магниты действуют на электрические заряды. Однако магнит действует только на движущийся заряд; если заряд покоится относительно магнита, то действия магнитной силы на заряд не наблюдается. Напротив, наэлектризованное тело действует на любой заряд ,вне зависимости от того, покоится он или движется.

По современным представлениям теории близкодействия, взаимодействие магнитов осуществляется посредством магнитного поля.А именно, магнит создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, которое действует на другой магнит и вызывает видимое притяжение или отталкивание этих магнитов.

Примером магнита служит магнитная стрелка компаса. С помощью магнитной стрелки можно судить о наличии магнитного поля в данной области пространства, а также о направлении поля.

Наша планета Земля является гигантским магнитом. Неподалёку от северного географического полюса Земли расположен южный магнитный полюс. Поэтому северный конец стрелки компаса, поворачиваясь к южному магнитному полюсу Земли, указывает на географический север. Отсюда, собственно, и возникло название «северный полюс» магнита.

Линии магнитного поля

Электрическое поле, напомним, исследуется с помощью маленьких пробных зарядов, по действию на которые можно судить о величине и направлении поля. Аналогом пробного заряда в случае магнитного поля является маленькая магнитная стрелка.

Например, можно получить некоторое геометрическое представление о магнитном поле, если разместить в разных точках пространства очень маленькие стрелки компаса. Опыт показывает, что стрелки выстроятся вдоль определённых линий —так называемых линий магнитного поля . Дадим определение этого понятия в виде следующих трёх пунктов.

1. Линии магнитного поля, или магнитные силовые линии — это направленные линии в пространстве, обладающие следующим свойством: маленькая стрелка компаса, помещённая в каждой точке такой линии, ориентируется по касательной к этой линии.

2. Направлением линии магнитного поля считается направление северных концов стрелок компаса, расположенных в точках данной линии.

3. Чем гуще идут линии, тем сильнее магнитное поле в данной области пространства.

Роль стрелок компаса с успехом могут выполнять железные опилки: в магнитном поле маленькие опилки намагничиваются и ведут себя в точности как магнитные стрелки.

Так, насыпав железных опилок вокруг постоянного магнита, мы увидим примерно следующую картину линий магнитного поля (рис. 1).

Рис. 1. Поле постоянного магнита

Северный полюс магнита обозначается синим цветом и буквой ; южный полюс — красным цветом и буквой . Обратите внимание, что линии поля выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс: ведь именно к южному полюсу магнита будет направлен северный конец стрелки компаса.

Опыт Эрстеда

Несмотря на то, что электрические и магнитные явления были известны людям ещё с античности, никакой взаимосвязи между ними долгое время не наблюдалось. В течение нескольких столетий исследования электричества и магнетизма шли параллельно и независимо друг от друга.

Тот замечательный факт, что электрические и магнитные явления на самом деле связаны друг с другом, был впервые обнаружен в 1820 году — в знаменитом опыте Эрстеда.

Схема опыта Эрстеда показана на рис. 2 (изображение с сайта rt.mipt.ru). Над магнитной стрелкой ( и — северный и южный полюсы стрелки) расположен металлический проводник, подключённый к источнику тока. Если замкнуть цепь, то стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику!
Этот простой опыт прямо указал на взаимосвязь электричества и магнетизма. Эксперименты последовавшие за опытом Эрстеда, твёрдо установили следующую закономерность: магнитное поле порождается электрическими токами и действует на токи.

Рис. 2. Опыт Эрстеда

Картина линий магнитного поля, порождённого проводником с током, зависит от формы проводника.

Магнитное поле прямого провода с током

Линии магнитного поля прямолинейного провода с током являются концентрическими окружностями. Центры этих окружностей лежат на проводе, а их плоскости перпендикулярны проводу (рис. 3).

Рис. 3. Поле прямого провода с током

Для определения направления линий магнитного поля прямого тока существуют два альтернативных правила.

Правило часовой стрелки . Линии поля идут против часовой стрелки, если смотреть так, чтобы ток тёк на нас.

Правило винта (или правило буравчика, или правило штопора — это уж кому что ближе ;-)). Линии поля идут туда, куда надо вращать винт (с обычной правой резьбой), чтобы он двигался по резьбе в направлении тока.

Пользуйтесь тем правилом, которое вам больше по душе. Лучше привыкнуть к правилу часовой стрелки — вы сами впоследствии убедитесь, что оно более универсально и им проще пользоваться (а потом с благодарностью вспомните его на первом курсе, когда будете изучать аналитическую геометрию).

На рис. 3 появилось и кое-что новое: это вектор , который называется индукцией магнитного поля, или магнитной индукцией. Вектор магнитной индукции является аналогом вектора напряжённости электрического поля: он служит силовой характеристикой магнитного поля, определяя силу, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряды.

О силах в магнитном поле мы поговорим позже, а пока отметим лишь, что величина и направление магнитного поля определяется вектором магнитной индукции . В каждой точке пространства вектор направлен туда же,куда и северный конец стрелки компаса, помещённой в данную точку, а именно по касательной к линии поля в направлении этой линии. Измеряется магнитная индукция в теслах (Тл).

Как и в случае электрического поля, для индукции магнитного поля справедлив принцип суперпозиции. Он заключается в том, что индукции магнитных полей , создаваемых в данной точке различными токами, складываются векторно и дают результирующий вектор магнитной индукции: .

Магнитное поле витка с током

Рассмотрим круговой виток, по которому циркулирует постоянный ток . Источник,создающий ток, мы на рисунке не показываем.

Картина линий поля нашего витка будет иметь приблизительно следующий вид (рис. 4).

Рис. 4. Поле витка с током

Нам будет важно уметь определять, в какое полупространство (относительно плоскости витка) направлено магнитное поле. Снова имеем два альтернативных правила.

Правило часовой стрелки. Линии поля идут туда, глядя откуда ток кажется циркулирующим против часовой стрелки.

Правило винта. Линии поля идут туда, куда будет перемещаться винт (с обычной правой резьбой), если вращать его в направлении тока.

Как видите, ток и поле меняются ролями — по сравнению с формулировками этих правил для случая прямого тока.

Магнитное поле катушки с током

Катушка получится, если плотно, виток к витку, намотать провод в достаточно длинную спираль (рис. 5 – изображение с сайта en.wikipedia.org). В катушке может быть несколько десятков, сотен или даже тысяч витков. Катушка называется ещё соленоидом.

Рис. 5. Катушка (соленоид)

Магнитное поле одного витка, как мы знаем, выглядит не очень-то просто. Поля? отдельных витков катушки накладываются друг на друга, и, казалось бы, в результате должна получиться совсем уж запутанная картина. Однако это не так: поле длинной катушки имеет неожиданно простую структуру (рис. 6).

Рис. 6. поле катушки с током

На этом рисунке ток в катушке идёт против часовой стрелки, если смотреть слева (так будет, если на рис. 5 правый конец катушки подключить к «плюсу» источника тока, а левый конец — к «минусу»). Мы видим, что магнитное поле катушки обладает двумя характерными свойствами.

1. Внутри катушки вдали от её краёв магнитное поле является однородным : в каждой точке вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению. Линии поля — параллельные прямые; они искривляются лишь вблизи краёв катушки, когда выходят наружу.

2. Вне катушки поле близко к нулю. Чем больше витков в катушке — тем слабее поле снаружи неё.

Заметим, что бесконечно длинная катушка вообще не выпускает поле наружу: вне катушки магнитное поле отсутствует. Внутри такой катушки поле всюду является однородным.

Ничего не напоминает? Катушка является «магнитным» аналогом конденсатора. Вы же помните, что конденсатор создаёт внутри себя однородное электрическое поле, линии которого искривляются лишь вблизи краёв пластин, а вне конденсатора поле близко к нулю; конденсатор с бесконечными обкладками вообще не выпускает поле наружу, а всюду внутри него поле однородно.

А теперь — главное наблюдение. Сопоставьте, пожалуйста, картину линий магнитного поля вне катушки (рис. 6) с линиями поля магнита на рис. 1. Одно и то же, не правда ли? И вот мы подходим к вопросу, который, вероятно, у вас уже давно возник: если магнитное поле порождается токами и действует на токи, то какова причина возникновения магнитного поля вблизи постоянного магнита? Ведь этот магнит вроде бы не является проводником с током!

Гипотеза Ампера. Элементарные токи

Поначалу думали, что взаимодействие магнитов объясняется особыми магнитными зарядами, сосредоточенными на полюсах. Но, в отличие от электричества, никто не мог изолировать магнитный заряд; ведь, как мы уже говорили, не удавалось получить по отдельности северный и южный полюс магнита — полюса всегда присутствуют в магните парами.

Сомнения насчёт магнитных зарядов усугубил опыт Эрстеда, когда выяснилось, что магнитное поле порождается электрическим током. Более того, оказалось, что для всякого магнита можно подобрать проводник с током соответствующей конфигурации, такой, что поле этого проводника совпадает с полем магнита.

Ампер выдвинул смелую гипотезу. Нет никаких магнитных зарядов. Действие магнита объясняется замкнутыми электрическими токами внутри него.

Что это за токи? Эти элементарные токи циркулируют внутри атомов и молекул; они связаны с движением электронов по атомным орбитам. Магнитное поле любого тела складывается из магнитных полей этих элементарных токов.

Элементарные токи могут быть беспорядочным образом расположены друг относительно друга. Тогда их поля взаимно погашаются, и тело не проявляет магнитных свойств.

Но если элементарные токи расположены согласованно,то их поля,складываясь,усиливают друг друга. Тело становится магнитом (рис. 7; магнитое поле будет направлено на нас; также на нас будет направлен и северный полюс магнита).

Рис. 7. Элементарные токи магнита

Гипотеза Ампера об элементарных токах прояснила свойства магнитов.Нагревание и тряска магнита разрушают порядок расположения его элементарных токов, и магнитные свойства ослабевают. Неразделимость полюсов магнита стала очевидной: в месте разреза магнита мы получаем те же элементарные токи на торцах. Способность тела намагничиваться в магнитном поле объясняется согласованным выстраиванием элементарных токов, «поворачивающихся» должным образом (о повороте кругового тока в магнитном поле читайте в следующем листке).

Гипотеза Ампера оказалась справедливой — это показало дальнейшее развитие физики. Представления об элементарных токах стали неотъемлемой частью теории атома, разработанной уже в ХХ веке — почти через сто лет после гениальной догадки Ампера.

Электромагнитное поле | Физика

К середине XIX в. в физике накопилось достаточно много сведений об электрических и магнитных явлениях. Эти сведения требовали систематизации и сведения в единую теорию. Такая теория была создана выдающимся английским физиком Джеймсом Максвеллом. Ее основные положения были опубликованы в 1864 г. в работе «Динамическая теория электромагнитного поля». Именно в этой работе впервые появился сам термин «электромагнитное поле».

Согласно теории Максвелла, переменные электрические и магнитные поля не могут существовать по отдельности: изменяющееся магнитное поле порождает электрическое поле, а изменяющееся электрическое поле порождает магнитное поле. А раз эти поля всегда существуют вместе, то, значит, они образуют единое целое — электромагнитное поле.

Установив это, Максвелл предсказал существование электромагнитных волн. Электромагнитными волнами называют распространяющиеся возмущения (или колебания) электромагнитного поля.

Максвелл не дожил до открытия электромагнитных волн. Доказать их существование удалось лишь в 1888 г. немецкому физику Генриху Герцу.

Причины возникновения электромагнитных волн можно понять из следующего примера. Представим себе проводник, по которому идет электрический ток. Если этот ток постоянен, то существующее вокруг проводника магнитное поле также будет постоянным. При изменении силы тока магнитное поле изменится: при увеличении тока это поле станет сильнее, при уменьшении слабее. Возникнет, как принято говорить, возмущение электромагнитного поля. Что будет дальше? Переменное магнитное поле создаст изменяющееся электрическое. Это электрическое поле породит переменное магнитное. То, в свою очередь, снова электрическое и т. д. Возмущение электромагнитного поля начнет распространяться от своего источника (проводника с переменным током), захватывая все большие и большие области пространства. Это и означает, что в пространстве вокруг проводника появятся электромагнитные волны.

Поддерживая в проводнике переменный ток, который периодически изменяется по величине и направлению, можно непрерывно излучать электромагнитные волны. Последние в этом случае будут представлять собой распространяющиеся колебания электромагнитного поля (изменения поля, при которых оно становится то сильнее, то слабее, периодически изменяя свое направление).

Проводник с переменным током, излучающий электромагнитные волны, называется антенной. Если на некотором расстоянии от излучающей антенны поместить другой проводник, то его можно использовать в качестве приемной антенны. Дойдя до приемной антенны, электромагнитная волна приведет в движение находящиеся в ней свободные электроны, и в ней возникнет переменный ток, изменяющийся с той же частотой, что и ток в излучающей антенне. На этом свойстве основана радиосвязь — передача и прием информации с помощью электромагнитных волн.

В отличие от упругих волн электромагнитные волны способны распространяться не только в различных средах, но и в вакууме. Скорость электромагнитных волн в вакууме принято обозначать латинской буквой c:

c = 299792 км/с ≈ 300000 км/с.

Скорость электромагнитных волн v в веществе всегда меньше, чем в вакууме:

v < c.

В воздухе скорость электромагнитных волн можно считать равной c, так как разность между ними очень мала. В воде электромагнитные волны распространяются примерно в 1,3 раза медленнее, чем в вакууме, в стекле — в 1,5 раза медленнее.

Как и для любых других волн, для электромагнитных волн справедливо соотношение, связывающее их скорость v с длиной волны λ и ее частотой ν:

v = λν      (28.1)

Под частотой электромагнитной волны понимают частоту колебаний электромагнитного поля в ней; она обратно пропорциональна периоду T колебаний:

ν = 1/T      (28.2)

При переходе электромагнитной волны из одной среды в другую ее период и частота остаются неизменными; меняется лишь скорость и длина волны.

??? 1. Какие факты указывают на то, что переменные электрическое и магнитное поля образуют единое электромагнитное поле? 2. Что называют электромагнитными волнами? 3. Опишите процесс возникновения электромагнитной волны. 4. Что представляет собой радиосвязь? На чем она основана? Какое устройство следует подключить в цепь передающей антенны, чтобы можно было передавать информацию с помощью азбуки Морзе? 5. Чему равна скорость электромагнитных волн в вакууме? Как она обозначается? 6. Напишите формулу, связывающую скорость электромагнитной волны с частотой и длиной волны. 7. Какие из перечисленных ниже величин меняются при переходе электромагнитной волны из одной среды в другую: скорость волны, частота волны, длина волны, период волны? 8. Как изменяется длина электромагнитной волны при переходе из воздуха в воду: уменьшается или увеличивается? 9. Кто является автором теории электромагнитного поля?

Магнитное поле и его свойства

Магнитное поле это материя, которая возникает вокруг источников электрического тока, а также вокруг постоянных магнитов. В пространстве магнитное поле отображается как совокупление сил, которые способны оказать воздействие на намагниченные тела. Это действие объясняется наличием движущих разрядов на молекулярном уровне.

Магнитное поле формируется только вокруг электрических зарядов, которые находятся в движении. Именно поэтому магнитное и электрическое поле являются, неотъемлемыми и вместе формируют электромагнитное поле. Компоненты магнитного поля взаимосвязаны и воздействуют друг на друга, изменяя свои свойства.

Свойства магнитного поля:
1. Магнитное поле возникает под воздействие движущих зарядов электрического тока.
2. В любой своей точке магнитное поле характеризуется вектором физической величины под названием магнитная индукция, которая является силовой характеристикой магнитного поля.
3. Магнитное поле может воздействовать только на магниты, на токопроводящие проводники и движущиеся заряды.
4. Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа
5. Магнитное поле измеряется только специальными приборами и не может быть воспринятым органами чувств человека.
6. Магнитное поля является электродинамическим, так как порождается только при движении заряженных частиц и оказывает влияние только на заряды, которые находятся в движении.
7. Заряженные частицы двигаются по перпендикулярной траектории.

Размер магнитного поля зависит от скорости изменения магнитного поля. Соответственно этому признаку существуют два вида магнитного поля: динамичное магнитное поле и гравитационное магнитное поле. Гравитационное магнитное поле возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей строения этих частиц.

Магнитный момент возникает в том случае, когда магнитное поле воздействует на токопроводящую раму. Другими словами, магнитный момент это вектор, который расположен на ту линию, которая идет перпендикулярно раме.

Магнитное поле можно изобразить графически с помощью магнитных силовых линий. Эти линии проводятся в таком направлении, так чтобы направление сил поля совпало с направлением самой силовой линии. Магнитные силовые линии являются непрерывными и замкнутыми одновременно.

Направление магнитного поля определяется с помощью магнитной стрелки. Силовые линии определяют также полярность магнита, конец с выходом силовых линий это северный полюс, а конец, с входом этих линий, это южный полюс.

Очень удобно наглядно оценить магнитное поле с помощью обычных железных опилок и листка бумаги.
Если мы на постоянный магнит положим лист бумаги, а сверху насыпим опилок, то частички железа выстроятся соответственно силовым линиям магнитного поля.

Направление силовых линий для проводника удобно определять по знаменитому правилу буравчика или правилу правой руки. Если мы обхватим проводник рукой так, чтобы большой палец смотрел по направлению тока(от плюса к минусу), то 4 оставшиеся пальцы покажут нам направление силовых линий магнитного поля.

А направление силы Лоренца – силы, с которой действует магнитное поле на заряженную частицу или проводник с током, по правилу левой руки.
Если мы расположим левую руку в магнитном поле так, что 4 пальца смотрели по направлению тока в проводнике , а силовые линии входили в ладонь, то большой палец укажет направление силы Лоренца, силы действующей на проводник помещенный в магнитное поле.

На этом собственно всё. Появившиеся вопросы обязательно задавайте в комментариях.

Заметка: учите инглиш? – рейтинг школ английского языка (http://www.schoolrate.ru/) будет вам полезен при выборе.

Магнитное поле. Все о магнитах :: Класс!ная физика

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Магнитное поле – это особый вид материи, невидимый и неосязаемый для человека,
существующий независимо от нашего сознания.
Еще в древности ученые-мыслители догадывались, что вокруг магнита что-то существует.

Магнитная стрелка.

Магнитная стрелка – это устройство, необходимое при изучении магнитного действия электрического тока.
Она представляет из себя маленький магнит, установленный на острие иглы, имеет два полюса: северный и южный .Магнитная стрелка может свободно вращаться на кончике иглы.
Северный конец магнитной стрелки всегда показывает на “север”.
Линия, соединяющая полюсы магнитной стрелки называется осью магнитной стрелки.
Аналогичная магнитная стрелка есть в любом компасе – приборе для ориентирования на местности.

Где возникает магнитное поле?

Опыт Эрстеда ( 1820г.) – показывает, как взаимодействует проводник с током и магнитная стрелка.

При замыкании эл цепи магнитная стрелка отклоняется от своего первоначального положения, при размыкании цепи магнитная стрелка возвращается в свое первоначальное положение.

В пространстве вокруг проводника с током (а в общем случае вокруг любого движущегося электрического заряда) возникает магнитное поле.
Магнитные силы этого поля действуют на стрелку и поворачивают ее.

В общем случае можно сказать,
что магнитное поле возникает вокруг движущихся электрических зарядов.
Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.

ЧИТАЕМ !

Часы и магнит.
“Шаттл” на магнитной тяге.
Сражение марсиан с земножителями.

Тайны магнита.

Устали? – Отдыхаем!

магнитное поле | Определение и факты

Наблюдайте за действием магнитного поля и взаимодействием между магнитными полюсами

Узнайте о магнитных полях и взаимодействиях между магнитными полюсами.

магнитное поле , векторное поле в окрестности магнита, электрический ток или изменяющееся электрическое поле, в котором наблюдаются магнитные силы. Магнитные поля, такие как у Земли, заставляют стрелки магнитного компаса и другие постоянные магниты выстраиваться в линию в направлении поля.Магнитные поля заставляют электрически заряженные частицы двигаться по круговой или винтовой траектории. Эта сила, действующая на электрические токи в проводах в магнитном поле, лежит в основе работы электродвигателей. (Для получения дополнительной информации о магнитных полях, см. магнетизм.

Вокруг постоянного магнита или провода, по которому проходит постоянный электрический ток в одном направлении, магнитное поле является стационарным и называется магнитостатическим полем. В любой заданной точке его величина и направление остается прежним.Магнитное поле вокруг переменного или постоянного тока постоянно меняет свою величину и направление.

Подробнее по этой теме

Магнетизм: основы

Основными для магнетизма являются магнитное поле с и их влияние на материю, как, например, отклонение движущихся зарядов …

Магнитные поля могут быть представлены непрерывными силовыми линиями или магнитным потоком, которые исходят из магнитных полюсов, направленных на север, и входят в магнитные полюсы, направленные на юг.Плотность линий указывает величину магнитного поля. Например, на полюсах магнита, где сильное магнитное поле, силовые линии сжимаются или становятся более плотными. Дальше, где магнитное поле слабое, они разветвляются, становясь менее плотными. Однородное магнитное поле представлено параллельными прямыми, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга. Направление потока – это направление, в котором указывает северный полюс небольшого магнита. Линии потока непрерывны, образуя замкнутые контуры.Для стержневого магнита они выходят из северного полюса, расходятся веером, входят в магнит на южном полюсе и продолжают через магнит к северному полюсу, где они снова появляются. Единицей измерения магнитного потока в системе СИ является вебер. Количество веберов – это мера общего количества линий поля, пересекающих данную область.

Магнитные поля могут быть представлены математически величинами, называемыми векторами, которые имеют направление, а также величину. Два разных вектора используются для представления магнитного поля: один, называемый плотностью магнитного потока или магнитной индукцией, обозначается как B ; другой, называемый напряженностью магнитного поля или напряженностью магнитного поля, обозначается как H .Магнитное поле H можно рассматривать как магнитное поле, создаваемое протеканием тока в проводах, а магнитное поле B – как полное магнитное поле, включая также вклад, вносимый магнитными свойствами материалов в поле. Когда ток течет в проволоке, намотанной на цилиндр из мягкого железа, намагничивающее поле H довольно слабое, но фактическое среднее магнитное поле ( B ) внутри утюга может быть в тысячи раз сильнее, поскольку B значительно усилен выравниванием бесчисленных крошечных естественных атомных магнитов железа в направлении поля. См. Также магнитная проницаемость.

Что такое магнитное поле?

Всем известно, насколько забавными могут быть магниты. Кто из нас в детстве не любил видеть, сможем ли мы склеить наше столовое серебро? А как насчет тех маленьких магнитных камешков, которые мы могли бы расположить так, чтобы они образовали практически любую форму, потому что они слиплись? Что ж, магнетизм – это не просто бесконечный источник удовольствия или пользы для научных экспериментов; это также один из основных физических законов, на которых основана Вселенная.

Притяжение, известное как магнетизм, возникает при наличии магнитного поля, которое является силовым полем, создаваемым магнитным объектом или частицей. Он также может создаваться изменяющимся электрическим полем и обнаруживается по силе, которую оно оказывает на другие магнитные материалы. Поэтому область изучения магнитов известна как электромагнетизм.

Определение:

Магнитные поля можно определить разными способами в зависимости от контекста. Однако в общих чертах это невидимое поле, которое оказывает магнитное воздействие на вещества, чувствительные к магнетизму.Магниты также оказывают друг на друга силы и крутящие моменты через создаваемые ими магнитные поля.

Они могут генерироваться в непосредственной близости от магнита, электрическим током или изменяющимся электрическим полем. Они диполярны по своей природе, что означает, что у них есть как северный, так и южный магнитный полюс. Стандартная международная единица измерения (СИ), используемая для измерения магнитных полей, – это Тесла, в то время как меньшие магнитные поля измеряются в единицах Гаусса (1 Тесла = 10 000 гуасс).

Математически магнитное поле определяется величиной силы, которую оно оказывает на движущийся заряд. Измерение этой силы согласуется с законом силы Лоренца, который может быть выражен как F = qvB , где F – магнитная сила, q – заряд, v – скорость, а магнитная сила. поле – B . Это отношение является векторным произведением, где F перпендикулярно (->) всем другим значениям.

Полевые линии:

Магнитные поля могут быть представлены непрерывными силовыми линиями (или магнитным потоком), которые выходят из северных магнитных полюсов и входят в южные полюса.Плотность линий указывает на величину поля, будучи более сконцентрированной на полюсах (где поле сильное) и расширяясь и ослабевая по мере удаления от полюсов.

Однородное магнитное поле представлено расположенными на одинаковом расстоянии параллельными прямыми линиями. Эти линии непрерывны, образуют замкнутые петли, идущие с севера на юг и снова повторяющиеся. Направление магнитного поля в любой точке параллельно направлению близлежащих силовых линий, и локальная плотность силовых линий может быть сделана пропорциональной ее напряженности.

Линии магнитного поля напоминают поток жидкости в том смысле, что они обтекаемые и непрерывные, и появляется больше (или меньше линий) в зависимости от того, насколько близко наблюдается поле. Силовые линии полезны как представление магнитных полей, позволяя упростить и выразить в математических терминах многие законы магнетизма (и электромагнетизма).

Самый простой способ наблюдать магнитное поле – это поместить железные опилки вокруг железного магнита. Расположение этих опилок будет соответствовать линиям поля, образуя полосы, соединяющиеся на полюсах.Они также появляются во время полярных сияний, когда видимые полосы света совпадают с местным направлением магнитного поля Земли.

История обучения:

Изучение магнитных полей началось в 1269 году, когда французский ученый Петрус Перегринус де Марикур с помощью железных игл нанес на карту магнитное поле сферического магнита. Места, где эти линии пересекались, он назвал «полюсами» (по отношению к полюсам Земли), которые, по его словам, есть у всех магнитов.

В 16 веке английский физик и естествоиспытатель Уильям Гилберт из Колчестера повторил эксперимент Перегринуса.В 1600 году он опубликовал свои выводы в договоре ( De Magnete ), в котором заявил, что Земля является магнитом. Его работа была неотъемлемой частью установления магнетизма как науки.

В 1750 году английский священник и философ Джон Мичелл заявил, что магнитные полюса притягиваются и отталкиваются друг от друга. Он заметил, что сила, с которой они это делают, обратно пропорциональна квадрату расстояния, иначе известному как закон обратных квадратов.

В 1785 году французский физик Шарль-Огюстен де Кулон экспериментально подтвердил магнитное поле Земли. Затем французский математик и геометр XIX века Симеон Дени Пуассон создал первую модель магнитного поля, которую представил в 1824 году.

К 19 веку дальнейшие откровения уточнили и бросили вызов ранее существовавшим представлениям. Например, в 1819 году датский физик и химик Ганс Кристиан Орстед обнаружил, что электрический ток создает вокруг него магнитное поле.В 1825 году Андре-Мари Ампер предложил модель магнетизма, в которой эта сила возникла из-за постоянно протекающих контуров тока, а не диполей магнитного заряда.

В 1831 году английский ученый Майкл Фарадей показал, что изменяющееся магнитное поле порождает окружающее электрическое поле. Фактически, он открыл электромагнитную индукцию, которая характеризовалась законом индукции Фарадея (он же закон Фарадея).

Между 1861 и 1865 годами шотландский ученый Джеймс Клерк Максвелл опубликовал свои теории электричества и магнетизма, известные как уравнения Максвелла.Эти уравнения не только указали на взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, но и показали, что сам свет является электромагнитной волной.

Область электродинамики получила дальнейшее развитие в конце 19-го и 20-го веков. Например, Альберт Эйнштейн (который предложил закон специальной теории относительности в 1905 году) показал, что электрическое и магнитное поля являются частью одного и того же явления, наблюдаемого из разных систем отсчета. Появление квантовой механики также привело к развитию квантовой электродинамики (КЭД).

Примеры:

Классическим примером магнитного поля является поле, созданное железным магнитом. Как упоминалось ранее, магнитное поле можно проиллюстрировать, окружив его железными опилками, которые будут притягиваться к силовым линиям и образовывать петлю вокруг полюсов.

Более крупные примеры магнитных полей включают магнитное поле Земли, которое напоминает поле, создаваемое простым стержневым магнитом. Считается, что это поле является результатом движения ядра Земли, которое разделено на твердое внутреннее ядро ​​и расплавленное внешнее ядро, которое вращается в направлении, противоположном Земле.Это создает динамо-эффект, который, как полагают, приводит в действие магнитное поле Земли (также известное как магнитосфера).

Компьютерное моделирование поля Земли в период нормальной полярности между инверсиями. [1] Линии представляют собой силовые линии магнитного поля: синие, когда поле направлено к центру, и желтые, когда поле далеко. Предоставлено: NASA . Такое поле называется дипольным полем, потому что оно имеет два полюса – северный и южный, расположенные на обоих концах магнита, – где напряженность поля максимальна.В средней точке между полюсами сила составляет половину своего полярного значения и простирается на десятки тысяч километров в космос, образуя магнитосферу Земли.

Было показано, что другие небесные тела обладают собственными магнитными полями. Сюда входят газовые и ледяные гиганты Солнечной системы – Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Магнитное поле Юпитера в 14 раз сильнее, чем у Земли, что делает его самым сильным магнитным полем среди всех планетных тел. Ганимед, спутник Юпитера, также обладает магнитным полем и является единственной луной в Солнечной системе, которая имеет его.

Считается, что когда-то Марс обладал магнитным полем, аналогичным земному, что также было результатом динамо-эффекта внутри него. Однако из-за мощного столкновения или быстрого охлаждения внутри Марс миллиарды лет назад потерял свое магнитное поле. Считается, что именно из-за этого Марс потерял большую часть своей атмосферы и способность удерживать жидкую воду на своей поверхности.

Когда доходит до этого, электромагнетизм является фундаментальной частью нашей Вселенной, прямо там, где находятся ядерные силы и гравитация.Понимание того, как это работает и где возникают магнитные поля, является не только ключом к пониманию того, как возникла Вселенная, но также может помочь нам когда-нибудь найти жизнь за пределами Земли.

Мы написали много статей о магнитном поле для Universe Today. Вот что такое магнитное поле Земли, Готово ли магнитное поле Земли к изменению? Магнитные поля.

Если вам нужна дополнительная информация о магнитном поле Земли, ознакомьтесь с руководством НАСА по исследованию солнечной системы на Земле. А вот ссылка на Обсерваторию Земли НАСА.

Мы также записали серию Astronomy Cast, посвященную планете Земля. Послушайте, Эпизод 51: Земля.

Источники:

Как это:

Нравится Загрузка …

Магнитное поле – Energy Education

Магнитные поля создаются путем изменения электрических полей, обычно движущихся зарядов, таких как электроны, часто в форме макроскопического электрического тока (например, тока в проводе) или микроскопического тока (например, на атомной орбите). ). ^[2] В одном из самых прекрасных примеров симметрии в физике изменение магнитных полей создает электрические поля. Эти электрические поля, возникающие в результате изменения магнитных полей, являются тем, как электрические генераторы могут создавать электрический ток.

Магнитное поле – это векторное поле, то есть оно имеет определенную величину и направление в любой точке. Единицей измерения магнитного поля в системе СИ является Тесла (Тл) в честь физика Николы Тесла с единицами измерения Н / А · м. Tesla – это огромная единица с довольно большим магнитным полем в 1 Тл. Меньшая единица – Гаусс (названный в честь великого физика и математика Карла Фридриха Эммануэля Гаусса) составляет одну десятитысячную Тесла. Магнитное поле Земли составляет примерно 1 Гаусс (но оно меняется в зависимости от того, где производятся измерения), поэтому 1 Тл – это магнитное поле в десять тысяч раз сильнее, чем у Земли!

Магниты – это материалы, намагниченность которых обусловлена ​​микроскопическими свойствами атомов, а создаваемое ими магнитное поле характеризуется их северным и южным полюсами.Направление этих магнитных полей всегда указывает от северного полюса к южному полюсу. Это соглашение можно использовать для определения силы, которую магнит будет прикладывать к заряду, и того, как один магнит будет взаимодействовать с другими магнитами.

Магнитные поля отличаются от электрических и гравитационных полей тем, что сила, которую они прикладывают к объекту, не параллельна полю. Магнитное поле фактически действует на перпендикулярно движущемуся заряду в его присутствии. Чтобы узнать больше о том, как эта сила применяется к движущемуся заряду, посетите сайт Hyperphysics.

• Силовые линии магнитного поля

• Рис. 2: Силовые линии магнитного поля от взаимодействия магнитных полей между севером и югом. ^[3]

• Рис. 3. Силовые линии магнитного поля от отталкивающего магнитного взаимодействия (Север-Север или Юг-Юг) ^[4]

Магнитное поле Земли

У Земли есть собственное магнитное поле, которое первоначально предполагалось из-за состава железа в ядре, но теперь предполагается, что оно создается циркулирующими электрическими токами в жидком ядре. ^[5] Магнитное поле Земли защищает жизнь от вредных солнечных ветров с Солнца, заряженные частицы которого в противном случае разрушили бы озоновый слой, защищающий Землю от вредного ультрафиолетового излучения (показано на рисунке 4). ^[6] Взаимодействие магнитного поля Земли и солнечного ветра вызывает хорошо известные явления полярных сияний, показанные на рисунке 5.

• Магнитное поле Земли и солнечный ветер

• Рисунок 4: Магнитное поле Земли защищает планету от резких солнечных ветров. ^[7] Обратите внимание, что расстояние от Земли до Солнца на этом изображении не в масштабе, Земля находится намного дальше от Солнца, чем следует из этого изображения.

• Рис. 5: Северное сияние, продукт взаимодействия магнитного поля Земли и солнечного ветра. ^[8]

Конвенция Земли о наименовании полюсов

Хотя логично предположить, что Северный и Южный полюсы на Земле представляют собой Северный и Южный полюса очень большого стержневого магнита, это не так.Северный полюс – это направление, на которое указывает северный конец компаса. То, что люди на Земле обычно называют Северным полюсом в географическом смысле, на самом деле является южным магнитным полюсом, и наоборот. Это означает, что если стрелка компаса указывает на географический Северный полюс Земли, стрелка компаса совмещена с южным магнитным полюсом. ^{[9] [10]}

Для дальнейшего чтения

Для получения дополнительной информации см. Соответствующие страницы ниже:

Список литературы

1. ↑ Wikimedia commons [Online], Доступно: http: // upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/57/Magnet0873.png
2. ↑ Hyperphysics, Magnetic Field [Online], Доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mintage/magfie.html
3. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fb/Magnets_field_of_bar_magnets_attracting.png
4. ↑ http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/1/14/Magnets_field_of_bar_magnets_repelling.png
5. ↑ Hyperphysics, Magnetic Field of the Earth [Online], Доступно: http: // hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mintage/magearth.html
6. ↑ природа, Солнечный ветер ударяет по озоновому слою [Онлайн], Доступно: http://www.nature.com/news/2005/050228/full/news050228-12.html
7. ↑ NASA Sun Earth на Flickr [Online], доступно: https://www.flickr.com/photos/gsfc/4445502419/
8. ↑ Wikimedia Commons [Online], доступно: http://commons.wikimedia.org/wiki/File:The_Aurora_Borealis_or_N Northern_Lights_shine_above_Bear_Lake_in_Alaska_050910-F-MS415-009.jpg
9. ↑ Hyperphysics, Magnets and Electromagnets [Online], Доступно: http: // hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/mintage/elemag.html
10. ↑ R. Serway и C. Vuille, “Magnets” в Essentials of College Physics [Online], Доступно: http://books.google.ca/books?id=8n4NCyRgUMEC&pg=PA493&redir_esc=y#v=onepage&q&f= ложный

11.2 Магнитные поля и линии – Университетская физика, Том 2

Задачи обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Определите магнитное поле на основе движущегося заряда, на который действует сила
• Примените правило правой руки для определения направления магнитной силы на основе движения заряда в магнитном поле
• Нарисуйте линии магнитного поля, чтобы понять, в какую сторону направлено магнитное поле и насколько оно сильно в определенной области космоса

Мы обрисовали в общих чертах свойства магнитов, описали их поведение и перечислили некоторые области применения магнитных свойств.Несмотря на то, что не существует таких вещей, как изолированные магнитные заряды, мы все же можем определить притяжение и отталкивание магнитов как основанное на поле. В этом разделе мы определяем магнитное поле, определяем его направление на основе правила правой руки и обсуждаем, как рисовать силовые линии магнитного поля.

Определение магнитного поля

Магнитное поле определяется силой, которую испытывает заряженная частица, движущаяся в этом поле, после того, как мы учтем гравитационные и любые дополнительные электрические силы, возможные на заряд.Величина этой силы пропорциональна величине заряда q , скорости заряженной частицы v и величине приложенного магнитного поля. Направление этой силы перпендикулярно как направлению движущейся заряженной частицы, так и направлению приложенного магнитного поля. Основываясь на этих наблюдениях, мы определяем напряженность магнитного поля B на основе магнитной силы F → F → на заряде q , движущемся со скоростью v → v → как векторное произведение скорости и магнитного поля, то есть

11,1

Фактически, именно так мы определяем магнитное поле B → B → – в терминах силы, действующей на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Величина силы определяется из определения перекрестного произведения, поскольку оно относится к величине каждого из векторов. Другими словами, величина силы удовлетворяет

, где θ – угол между скоростью и магнитным полем.

Единица СИ для напряженности магнитного поля B называется тесла (Тл) в честь эксцентричного, но блестящего изобретателя Николы Тесла (1856–1943), где

Иногда используется меньшая единица измерения, называемая гауссом (G), где 1G = 10−4T, 1G = 10−4T.Самые сильные постоянные магниты имеют поля около 2 Тл; сверхпроводящие электромагниты могут достигать 10 Тл или более. Магнитное поле Земли на ее поверхности составляет всего около 5 × 10–5 Тл, 5 × 10–5 Тл или 0,5 Гс.

Стратегия решения проблем

Направление магнитного поля по правилу правой руки

Направление магнитной силы F → F → перпендикулярно плоскости, образованной v → v → и B →, B →, как определено по правому правилу-1 (или RHR-1), которое проиллюстрировано на рисунке 11.4.

1. Сориентируйте правую руку так, чтобы пальцы сгибались в плоскости, определяемой векторами скорости и магнитного поля.
2. Правой рукой проведите пальцами от скорости к магнитному полю под наименьшим возможным углом.
3. Магнитная сила направлена ​​туда, куда указывает ваш большой палец.
4. Если заряд был отрицательным, измените направление, определенное этими шагами.

На статические заряды не действует магнитная сила. Однако на заряды, движущиеся под углом к ​​магнитному полю, действует магнитная сила. Когда заряды неподвижны, их электрические поля не влияют на магниты. Однако, когда заряды движутся, они создают магнитные поля, которые действуют на другие магниты. Когда есть относительное движение, возникает связь между электрическими и магнитными силами – одна влияет на другую.

Пример 11.1

Альфа-частица, движущаяся в магнитном поле

Рис. 11.5 Магнитные силы на альфа-частицу, движущуюся в однородном магнитном поле. Поле на каждом рисунке одинаковое, но скорость разная.

Стратегия

Решение

1. Во-первых, чтобы определить направление, начните с того, что пальцы будут указывать в положительном направлении x ..
2. Во-первых, чтобы определить направленность, начните с того, что пальцы будут указывать в отрицательном направлении y . Проведите пальцами вверх в направлении магнитного поля, как в предыдущей задаче. Ваш большой палец должен быть открыт в отрицательном направлении x . Это должно соответствовать математическому ответу. Чтобы вычислить силу, мы используем заданный заряд, скорость и магнитное поле, а также определение магнитной силы в форме перекрестного произведения, чтобы вычислить: F → = qv → × B → = (3.. Альтернативный подход – использовать уравнение 11.2 для определения величины силы. Это применимо к обеим частям (а) и (б). Поскольку скорость перпендикулярна магнитному полю, угол между ними составляет 90 градусов. Следовательно, величина силы равна: F = qvBsinθ = (3,2 · 10−19C) (5,0 · 104 м / с) (1,5T) sin (90 °) = 2,4 · 10−14N. F = qvBsinθ = (3,2 · 10−19C) (5,0 · 104 м / s) (1,5T) sin (90 °) = 2,4 × 10−14N.
3. Поскольку скорость и магнитное поле параллельны друг другу, нет никакой ориентации вашей руки, которая приведет к направлению силы.Следовательно, сила, действующая на этот движущийся заряд, равна нулю. Это подтверждается перекрестным произведением. Когда вы пересекаете два вектора, указывающих в одном направлении, результат равен нулю.
4. Во-первых, чтобы определить направление, ваши пальцы могут указывать в любом направлении; однако вы должны поднять пальцы вверх в направлении магнитного поля. Вращая руку, обратите внимание, что большой палец может указывать в любом направлении x или y , но не в направлении z .) × 10−15N. Это решение можно переписать с точки зрения величины и угла в плоскости xy : | F → | = Fx2 + Fy2 = (- 14,4) 2 + (- 9,6) 2 × 10−15N = 1,7 × 10−14Nθ = tan − 1 (FyFx) = tan − 1 (−9,6 × 10−15N − 14,4 × 10−15N) = 34 °. | F → | = Fx2 + Fy2 = (- 14,4) 2 + (- 9,6) 2 × 10−15N = 1,7 × 10−14Nθ = tan − 1 (FyFx) = tan − 1 (−9,6 × 10−15N − 14,4 × 10−15N) = 34 °. Величину силы также можно рассчитать с помощью уравнения 11.2. Однако скорость в этом вопросе состоит из трех компонентов. Компонентой скорости z можно пренебречь, потому что она параллельна магнитному полю и, следовательно, не создает силы.Величина скорости вычисляется из компонентов x и y . Угол между скоростью в плоскости xy и магнитным полем в плоскости z составляет 90 градусов. Следовательно, сила рассчитывается следующим образом: | v → | = (2) 2 + (- 3) 2 × 104 мс = 3,6 × 104 мсF = qvBsinθ = (3,2 × 10−19C) (3,6 × 104 м / с) (1,5T) sin (90 °) = 1,7 × 10−14N. | V → | = (2) 2 + (- 3) 2 × 104 мс = 3,6 × 104 мсF = qvBsinθ = (3,2 × 10−19C) (3,6 × 104 м / с) (1,5T) sin (90 ° ) = 1,7 × 10−14Н. Это та же величина силы, рассчитанная с помощью единичных векторов.

Значение

Проверьте свое понимание 11.1

Повторите предыдущую задачу с магнитным полем в направлении x , а не в направлении z . Проверьте свои ответы с помощью RHR-1.

Представление магнитных полей

Представление магнитных полей в виде силовых линий очень полезно для визуализации силы и направления магнитного поля. Как показано на рисунке 11.6, каждая из этих линий образует замкнутый цикл, даже если это не показано ограничениями пространства, доступного для рисунка.Силовые линии выходят из северного полюса (N), огибают южный полюс (S) и проходят через стержневой магнит обратно к северному полюсу.

У линий магнитного поля есть несколько жестких правил:

1. Направление магнитного поля касается силовой линии в любой точке пространства. Маленький компас укажет направление линии поля.
2. Сила поля пропорциональна близости линий. Он точно пропорционален количеству линий на единицу площади, перпендикулярной линиям (так называемая поверхностная плотность).
3. Силовые линии магнитного поля никогда не могут пересекаться, что означает, что поле уникально в любой точке пространства.
4. Линии магнитного поля непрерывны, образуют замкнутые контуры без начала и конца. Они направлены от северного полюса к южному полюсу.

Последнее свойство связано с тем, что северный и южный полюса не могут быть разделены. Это явное отличие от силовых линий электрического поля, которые обычно начинаются с положительных зарядов и заканчиваются отрицательными зарядами или на бесконечности.Если бы изолированные магнитные заряды (называемые магнитными монополями) существовали, то силовые линии магнитного поля начинались бы и заканчивались на них.

Рис. 11.6 Линии магнитного поля определяют направление, в котором указывает маленький компас, помещенный в определенное место в поле. Сила поля пропорциональна близости (или плотности) линий. Если бы можно было исследовать внутреннюю часть магнита, было бы обнаружено, что силовые линии образуют непрерывные замкнутые контуры. Чтобы уместиться в разумном пространстве, некоторые из этих рисунков могут не показывать замыкание петель; однако, если бы было предоставлено достаточно места, петли были бы закрыты.

Магнитное поле: определение и создание

Как создаются магнитные поля?

Есть два основных способа создания магнитных полей: ферромагнитных материалов и перемещение зарядов.

Ферромагнитные материалы – это железо и кобальт, которые обладают очень сильными магнитными свойствами. Вы можете буквально взять кусок железа, который вы выкопали из земли, и обнаружить, что он действует как стержневой магнит.А стержневые магниты, как и все магниты, создают магнитные поля. Даже если кусок железа не действует как стержневой магнит, все, что вам нужно сделать, это поднести его к большему магниту, и он станет сильнее.

Второй способ создания магнитного поля – перемещение зарядов. Когда заряды движутся, они создают магнитные поля. Например, провод, по которому проходит электричество, будет окружен магнитным полем.

Мы можем использовать эту идею, чтобы сделать нечто, называемое электромагнитом .Электромагнит – это катушка с проводом, через которую проходит электричество.

Магнитное поле, создаваемое витой проволокой, выглядит точно так же (и имеет ту же форму), что и электрическое поле стержневого магнита. Но с помощью электромагнита вы можете включать и выключать его, просто щелкнув выключателем. Вы также можете изменить силу, варьируя ток, протекающий по цепи. Эта способность управлять магнитами очень полезна.Он используется в двигателях и генераторах, динамиках и наушниках, аппаратах МРТ и ускорителях частиц.

Резюме урока

Магнитные поля – это области вокруг магнита, на которые действует сила магнетизма. Магнитные поля влияют на другие магниты, металлы с более слабыми магнитными свойствами и движущиеся заряды. Мы используем линии и стрелки для обозначения магнитных полей: более плотные линии представляют сильные поля.

Вы можете создавать магнитные поля, просто находя магнитные материалы в земле и перемещая их в нужное вам место, или пропуская электричество по проводу: движущиеся заряды создают магнитные поля, а электрические провода содержат движущиеся заряды. Вы можете использовать этот принцип для создания электромагнитов , которые представляют собой магниты, которые можно включать и выключать с помощью переключателя, или даже делать их сильнее или слабее. Это делается путем пропускания электричества через катушку с проводом и работает, потому что электричеством можно управлять.

Как работают магнитные поля?

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор: С. Хуссейн Атер

••• Сайед Хуссейн Атер

Магнитные поля описывают, как магнитная сила распределяется в пространстве вокруг объектов. Как правило, для магнитного объекта линии магнитного поля проходят от северного полюса объекта к южному полюсу, точно так же, как и для магнитного поля Земли, как показано на диаграмме выше.

Та же самая магнитная сила, которая заставляет предметы прилипать к поверхности холодильника, используется в магнитном поле Земли, которое защищает озоновый слой от вредного солнечного ветра. Магнитное поле формирует пакеты энергии, которые не позволяют озоновому слою терять углекислый газ.

Вы можете наблюдать это, засыпая железные опилки, маленькие порошкообразные кусочки железа в присутствии магнита. Подложите магнит под лист бумаги или легкий кусок ткани. Вылейте железные опилки и посмотрите, какие формы и формы они принимают.Определите, какие силовые линии должны быть, чтобы опилки располагались и распределялись таким образом в соответствии с физикой магнитных полей.

Чем больше плотность линий магнитного поля, проведенных с севера на юг, тем больше величина магнитного поля. Эти северный и южный полюса также определяют, будут ли магнитные объекты привлекательными (между северным и южным полюсами) или отталкивающими (между идентичными полюсами). Магнитные поля измеряются в единицах Тесла, T .

Наука о магнитных полях

Поскольку магнитные поля образуются всякий раз, когда заряды движутся, магнитные поля индуцируются электрическим током через провода. Поле дает вам способ описать потенциальную силу и направление магнитной силы в зависимости от тока через электрический провод и расстояния, которое проходит ток. Силовые линии магнитного поля образуют концентрические круги вокруг проводов. Направление этих полей можно определить с помощью «правила правой руки».”

Это правило говорит вам, что, если вы поместите большой палец правой руки в направлении электрического тока через провод, результирующие магнитные поля будут в том направлении, в котором изгибаются пальцы вашей руки. Чем больше ток, тем больше магнитное поле индуцируется.

Как определить магнитное поле?

Вы можете использовать различные примеры правила правой руки , общего правила для определения направления различных величин, включая магнитное поле, магнитную силу и ток.Это эмпирическое правило полезно во многих случаях, связанных с электричеством и магнетизмом, поскольку это диктуется математикой величин.

••• Syed Hussain Ather

Это правило правой руки может также применяться в другом направлении для магнитного соленоида или серии электрического тока, намотанного на проволоку вокруг магнита. Если вы направите большой палец правой руки в направлении магнитного поля, пальцы правой руки будут сгибаться в направлении электрического тока.Соленоиды позволяют использовать силу магнитного поля через электрические токи.

••• Syed Hussain Ather

Когда электрический заряд перемещается, создается магнитное поле, поскольку вращающиеся и перемещающиеся электроны сами становятся магнитными объектами. Элементы, которые имеют неспаренные электроны в своих основных состояниях, такие как железо, кобальт и никель, могут быть выровнены так, что они образуют постоянные магниты. Магнитное поле, создаваемое электронами этих элементов, облегчает прохождение электрического тока через эти элементы.Сами магнитные поля также могут нейтрализовать друг друга, если они равны по величине в противоположных направлениях.

Ток, протекающий через батарею I излучает магнитное поле B на радиусе r в соответствии с уравнением для закона Ампера :

B = 2 \ pi r \ mu_0 I

, где μ ₀ – магнитная постоянная вакуумной проницаемости, 1,26 x 10 ^-6 Гн / м («Генри на метр», в котором Генри является единицей индуктивности) .Увеличение тока и приближение к проводу увеличивают результирующее магнитное поле.

Типы магнитов

Чтобы объект был магнитным, электроны, составляющие объект, должны иметь возможность свободно перемещаться между атомами в объекте. Для того чтобы материал был магнитным, идеальными кандидатами являются атомы с неспаренными электронами одного и того же спина, поскольку эти атомы могут образовывать пары друг с другом, позволяя электронам свободно перемещаться. Тестирование материалов в присутствии магнитных полей и изучение магнитных свойств атомов, из которых состоят эти материалы, могут рассказать вам об их магнетизме.

Ферромагнетики обладают постоянным магнитом. Парамагнетики , напротив, не будут проявлять магнитные свойства, если только в присутствии магнитного поля не выравнивает спины электронов так, чтобы они могли свободно перемещаться. Диамагнетики имеют такой атомный состав, что на них вообще не действуют магнитные поля или на них очень мало влияют магнитные поля. У них нет или мало неспаренных электронов, через которые проходят заряды.

Парамагнетики работают, потому что они сделаны из материалов, которые всегда имеют магнитных моментов , известных как диполи. Эти моменты – их способность выравниваться с внешним магнитным полем из-за спина неспаренных электронов на орбиталях атомов, из которых состоят эти материалы. В присутствии магнитного поля материалы выравниваются, чтобы противостоять силе магнитного поля. Парамагнитные элементы включают магний, молибден, литий и тантал.

Внутри ферромагнетика диполь атомов является постоянным, обычно в результате нагрева и охлаждения парамагнитного материала.Это делает их идеальными кандидатами для электромагнитов, двигателей, генераторов и трансформаторов для использования в электрических устройствах. Диамагнетики, напротив, могут создавать силу, которая позволяет электронам свободно течь в виде тока, который затем создает магнитное поле, противоположное любому приложенному к ним магнитному полю. Это нейтрализует магнитное поле и не дает им стать магнитными.

Магнитная сила

Магнитные поля определяют, как магнитные силы могут распределяться в присутствии магнитного материала.В то время как электрические поля описывают электрическую силу в присутствии электрона, магнитные поля не имеют такой аналогичной частицы, на которой можно было бы описать магнитную силу. Ученые предположили, что магнитный монополь может существовать, но не было экспериментальных доказательств того, что эти частицы существуют. Если бы они существовали, эти частицы имели бы магнитный «заряд» почти так же, как заряженные частицы имеют электрические заряды.

Магнитная сила возникает из-за электромагнитной силы, силы, которая описывает как электрические, так и магнитные компоненты частиц и объектов.Это показывает, насколько магнетизм присущ тем же явлениям электричества, как ток и электрическое поле. Заряд электрона – это то, что заставляет магнитное поле отклонять его посредством магнитной силы, так же, как электрическое поле и электрическая сила.

Магнитные поля и электрические поля

В то время как только движущиеся заряженные частицы излучают магнитные поля, а все заряженные частицы излучают электрические поля, магнитные и электромагнитные поля являются частью одной и той же фундаментальной силы электромагнетизма.Электромагнитная сила действует между всеми заряженными частицами во Вселенной. Электромагнитная сила принимает форму повседневных явлений электричества и магнетизма, таких как статическое электричество и электрически заряженные связи, которые удерживают молекулы вместе.

Эта сила наряду с химическими реакциями также формирует основу электродвижущей силы, которая позволяет току течь по цепям. Когда магнитное поле переплетается с электрическим полем, полученный продукт известен как электромагнитное поле.

Уравнение силы Лоренца

F = qE + qv \ times B

описывает силу, действующую на заряженную частицу q , движущуюся со скоростью v в присутствии электрического поля E и магнитное поле B . В этом уравнении x между qv и B представляет собой перекрестное произведение. Первый член qE представляет собой вклад электрического поля в силу, а второй член qv x B представляет собой вклад магнитного поля.

Уравнение Лоренца также говорит вам, что магнитная сила между скоростью заряда v и магнитным полем B составляет qvbsinϕ для заряда q , где ϕ («фи») – это угол между v и B , который должен быть меньше 1 80 градусов. Если угол между v и B больше, то вы должны использовать угол в противоположном направлении, чтобы исправить это (из определения перекрестного произведения).Если ϕ равно 0, например, скорость и магнитное поле указывают в одном направлении, магнитная сила будет равна 0. Частица будет продолжать двигаться, не отклоняясь от магнитного поля.

Перекрестное произведение магнитного поля

••• Сайед Хуссейн Атер

На диаграмме выше перекрестное произведение двух векторов a и b равно c . Обратите внимание на направление и величину c . Это в направлении, перпендикулярном a и b , если задано правилом правой руки.Правило правой руки означает, что направление результирующего перекрестного произведения c задается направлением большого пальца, когда указательный палец правой руки находится в направлении b , а средний палец правой руки находится в направление a .

Перекрестное произведение – это векторная операция, которая приводит к вектору, перпендикулярному как qv , так и B , заданному правилом правой руки трех векторов и с величиной площади параллелограмма, которая векторы qv и B простираются.Правило правой руки означает, что вы можете определить направление перекрестного произведения между qv и B , поместив указательный палец правой руки в направлении B , средний палец в направлении направление qv , и полученное направление вашего большого пальца будет направлением перекрестного произведения этих двух векторов.

••• Syed Hussain Ather

На приведенной выше диаграмме правило правой руки также демонстрирует взаимосвязь между магнитным полем, магнитной силой и током через провод.Это также показывает, что перекрестное произведение между этими тремя величинами может представлять собой правило правой руки, поскольку перекрестное произведение между направлением силы и полем равно направлению тока.

Магнитное поле в повседневной жизни

Магнитные поля от 0,2 до 0,3 тесла используются в МРТ, магнитно-резонансной томографии. МРТ – это метод, который врачи используют для изучения внутренних структур в теле пациента, таких как мозг, суставы и мышцы. Обычно это делается путем помещения пациента в сильное магнитное поле так, чтобы оно проходило вдоль оси тела.Если вы представите пациента магнитным соленоидом, электрические токи будут обволакивать его или ее тело, а магнитное поле будет направлено в вертикальном направлении по отношению к телу, как это диктуется правилом правой руки.

Затем ученые и врачи изучают, как протоны отклоняются от своего нормального положения, чтобы изучить структуры внутри тела пациента. Благодаря этому врачи могут проводить безопасную неинвазивную диагностику различных состояний.

Человек не чувствует магнитное поле во время процесса, но, поскольку в человеческом теле очень много воды, ядра водорода (которые являются протонами) выстраиваются под действием магнитного поля.Сканер МРТ использует магнитное поле, из которого протоны поглощают энергию, и, когда магнитное поле отключается, протоны возвращаются в свое нормальное положение. Затем устройство отслеживает это изменение положения, чтобы определить, как протоны выровнены, и создать изображение внутренней части тела пациента.

Сравнение электрического поля и магнитного поля – разница и сравнение

Область вокруг магнита, в которой действует магнитная сила, называется магнитным полем.Он производится движущимися электрическими зарядами. Наличие и сила магнитного поля обозначается «линиями магнитного потока». Направление магнитного поля также указано этими линиями. Чем ближе линии, тем сильнее магнитное поле, и наоборот. Когда частицы железа помещаются над магнитом, хорошо видны силовые линии. Магнитные поля также генерируют энергию в частицах, которые с ними соприкасаются. Электрические поля генерируются вокруг частиц, несущих электрический заряд.Положительные заряды притягиваются к нему, а отрицательные – отталкиваются.

Движущийся заряд всегда имеет как магнитное, так и электрическое поле, и именно по этой причине они связаны друг с другом. Это два разных поля с почти одинаковыми характеристиками. Следовательно, они взаимосвязаны в поле, называемом электромагнитным полем. В этом поле электрическое поле и магнитное поле движутся под прямым углом друг к другу. Однако они не зависят друг от друга.Они также могут существовать независимо. Без электрического поля магнитное поле существует в постоянных магнитах, а электрические поля существуют в форме статического электричества в отсутствие магнитного поля.

Таблица сравнения

Что такое электрическое и магнитное поля?

На веб-сайте Puget Sound Energy (PSE) приведены объяснения электрических и магнитных полей, их свойств и способов их создания:

Магнитные поля создаются всякий раз, когда есть электрический ток.Это также можно представить как поток воды в садовом шланге. По мере увеличения протекающего тока уровень магнитного поля увеличивается. Магнитные поля измеряются в миллигауссах (мГс).

Электрическое поле возникает везде, где присутствует напряжение. Электрические поля создаются вокруг приборов и проводов везде, где есть напряжение. Вы можете представить себе электрическое напряжение как давление воды в садовом шланге – чем выше напряжение, тем сильнее напряженность электрического поля.Напряженность электрического поля измеряется в вольтах на метр (В / м). Сила электрического поля быстро уменьшается по мере удаления от источника. Электрические поля также могут быть экранированы многими объектами, такими как деревья или стены здания.

Природа

Электрическое поле – это, по сути, силовое поле, которое создается вокруг электрически заряженной частицы. Магнитное поле создается вокруг постоянного магнитного вещества или движущегося электрически заряженного объекта.

Ходы

В электромагнитном поле направления движения электрического и магнитного полей перпендикулярны друг другу.

Квартир

Единицы измерения напряженности электрического и магнитного поля также различаются. Сила магнитного поля представлена ​​либо гауссом, либо тесла. Напряженность электрического поля выражается в Ньютонах на кулон или в вольтах на метр.

Сила

Электрическое поле на самом деле представляет собой силу на единицу заряда, испытываемую неподвижным точечным зарядом в любом заданном месте внутри поля, тогда как магнитное поле обнаруживается силой, которую оно оказывает на другие магнитные частицы и движущиеся электрические заряды.