Что такое магнитное поле определение в физике: Недопустимое название — Викиверситет

Техника безопасности

1. Будьте внимательны, дисциплинированны, аккуратны, точно выполняйте указания учителя.
2. Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описание, уясните ход её выполнения.
3. Не оставляйте рабочего места без разрешения учителя.
4. Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем.
5. Не держите на рабочем столе предметы, не требующиеся при выполнении задания.
6. Не устанавливайте на краю стола штатив, во избежание его падения.
7. После выполнения измерений электронным секундомером выключите его, отсоединив разъём.
8. Источник тока электрической цепи подключайте в последнюю очередь. Не включать собранную цепь без проверки и разрешения учителя.
9. При сборке электрической цепи провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно соединяйте с клеммами.
10. Следите, чтобы изоляция проводов была исправна, а на концах проводников были наконечники.
11. Не касайтесь руками мест соединений. Не использовать провода с нарушенной изоляцией. Все изменения в цепи производите после отключения источника тока.
12. При проведении опытов не допускайте предельных нагрузок измерительных приборов. После снятия показаний цепь разомкнуть. По указанию учителя разобрать цепь.
13. При сборке электрической цепи провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно соединяйте с клеммами.
14. Обнаружив неисправность в электрических устройствах, находящихся под напряжением, немедленно отключите источник электропитания и сообщите об этом учителю.
15. Берегите оборудование и используйте его по назначению.
16. При получении травмы обратитесь к учителю.

Введение

В своей работе по теме «Магнитное поле» я проведу и объясню три эксперимента, описанные в учебнике Перышкина А.В. Физика. 8 класс.

Цель работы: расширение кругозора, повышение эрудиции, развитие интереса к экспериментальной физике, умений демонстрировать и объяснять опыты, научиться работать самостоятельно.

Выдвигаемая гипотеза: проверить на опытах предположение, что вокруг проводника с электрическим током существует магнитное поле, которое возможно имеет закономерность в направлении и связано с направлением тока.

Магнитные явления были известны ещё в древнем мире: компас был изобретён более 4000 лет назад, и к XII веку он стал известен в Европе. Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом, и возникло представление о магнитном поле.

Первыми экспериментами, показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется связь, были опыты датского физика Х.Эрстеда (1777-1851). В своём знаменитом опыте, описываемом ныне во всех школьных учебниках физики и проведённом в 1820 году, он обнаружил, что провод, по которому идёт ток, действует на магнитную стрелку (то есть подвижный магнит).

Эрстед не только провёл свой опыт, но и сделал правильный вывод: «электрический конфликт не ограничен проводящей проволокой, а имеет довольно обширную сферу активности вокруг этой проволоки». Переводя на современный язык, это можно понимать так: «действие тока есть не только внутри провода (его нагревание), но и вокруг (магнитное поле)».

Открытие Эрстеда вызвало необычайный интерес его современников-физиков и послужило началом ряда исследований, показавших сходство магнитного действия тока и действия постоянного магнита. Для поиска ответа проделаем опыт.

Опыт № 1. Дугообразный электромагнит

Возьму дугообразный электромагнит и закреплю его в штативе. Соединю катушки электромагнита через ключ с источником тока. Поднесу якорь к сердечнику и замкну ключ. Якорь притянулся к сердечнику. На крючок якоря буду подвешивать грузы 0,5 кг, потом 1 кг. Якорь не отрывается. Разомкну ключ, и грузы упадут.

Вывод из опыта № 1

Вокруг катушки с током существует магнитное поле. Железо, введенное внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки. Намагничивается сердечник и притягивает якорь с подвешенным грузом. Катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса – северный и южный. Электромагниты обладают большой подъемной силой.

4 мая 1825 года Вильям Стерджен (английский ученый) на заседании Британского общества ремесел продемонстрировал работу своего электромагнита. Это был согнутый в виде подковы железный стержень длиной 30 см и диаметром 1,3 см. На нем в один слой была намотана медная проволока, подключенная к химическому источнику тока. Электромагнит Стерджена удерживал груз, весом в 1,5 раза превосходящим вес самого магнита. При весе в 2 кг он поднимал металлический груз в 3,6 кг. На тот момент он был намного мощнее природных магнитов того же размера. Еще в 1823 году ученый на основе электромагнита построил «вращающееся колесо Стерджена» – по сути первую модель электромотора.

Стерджена, Джеймс Джоуль, экспериментируя с электромагнитом учителя, в том же 1825 году смог увеличить подъемную силу до 20 кг. С этого момента начинается своеобразная гонка между учеными по совершенствованию электромагнита и наращиванию его подъемной силы. Через семь лет после своего изобретения Уильям Стерджен создает электромагнит с подъемной силой в 160 кг, а еще через восемь лет – электромагнит с подъемной силой в 550 кг.

Кстати подковообразная форма электромагнита, очень удачная как показали дальнейшие исследования, была выбрана Уильямом Стердженом чисто случайно. Эта форма используются и по сей день. Хотя конечно же в наше время изготавливаются электромагниты самых разнообразных форм.

Вскоре после того, как было построено еще несколько крупных магнитов и все убедились в их силе, надежности, компактности и удобстве, было предложено использовать электромагниты для подъема железных и стальных деталей на металлургических и металлообрабатывающих заводах.

В России вплоть до революции Общество конно-железных дорог и омнибусов использовало магниты для очистки овса от железных гвоздей. В Европе и Америке магниты широко применяли на мельницах по очистке зерна.

В 30-х годах нашего столетия был создан один из крупнейших электромагнитов, предназначенный для устройства, с помощью которого разрушали бракованное литье. Груз, выполняющий эту операцию, весил 200000 Н. Использование электромагнита в этом устройстве позволяло сбрасывать груз обычным поворотом выключателя.

Вскоре были созданы еще более крупные магниты, способные поднимать груз весом до 500000 Н.

Магнитная очистка зерна на мельницах стала прообразом одного из чрезвычайно важных в настоящее время применений магнитов. Речь идет о так называемых магнитах сепараторах. Принцип их действия состоит в том, что смесь полезного вещества и «пустой породы» подается по конвейеру и проходит мимо полюсов магнита. Если пустая порода магнитна, то она будет извлечена из смеси. Принцип сепаратора с использованием естественных магнитов был предложен еще в 1792 г., т.е. до изобретения электромагнита.

Электромагниты нашли широкое применение в промышленности, технике, медицине. Например, в батискафе французского профессора Пиккара, исследовавшего не так давно глубочайшие океанские впадины, мощный электромагнит удерживал железный балласт.

С их помощью можно также поднимать и перемещать массивные объекты, например, автомобили перед утилизацией. Они также используются в транспортировке. Поезда в Азии и Европе используют электромагниты для перевозки автомобилей. Это помогает им двигаться на феноменальных скоростях.

Генеральный директор компании Walker Magnetics, г-н Брайан Твейтс с гордостью представляет самый большой в мире подвесной электромагнит. Его вес (88 т) примерно на 22 т превышает вес действующего победителя Книги Рекордов Гиннеса из США. Его грузоподъемность составляет приблизительно 270 тонн. 

Электромагниты получили настолько широкое распространение, что трудно назвать область техники, где бы они не применялись в том или ином виде. Они содержатся во многих бытовых приборах – электробритвах, магнитофонах, телевизорах и т.п. Устройства техники связи – телефония, телеграфия и радио немыслимы без их применения.

Электромагниты являются неотъемлемой частью электрических машин, многих устройств промышленной автоматики, аппаратуры регулирования и защиты разнообразных электротехнических установок. Развивающейся областью применения электромагнитов является медицинская аппаратура. Наконец, гигантские электромагниты для ускорения элементарных частиц применяются в синхрофазотронах.

Вес электромагнитов колеблется от долей грамма до сотен тонн, а потребляемая при их работе электрическая мощность – от милливатт до десятков тысяч киловатт.

Опыт № 2. Магнитные линии катушки с током

Возьму катушку, смонтированную на подставке из оргстекла, соединю ее через ключ с источником тока. На подставку насыпаю ровным слоем металлические опилки. Замыкаю ключ и чуть-чуть постукиваю по платформе. Цепочки, которые образуют в магнитном поле железные опилки, показывают форму магнитных линий магнитного поля. Магнитные линии магнитного поля катушки с током являются замкнутыми линиями. Вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному.

Вывод из опыта № 2

1. Вокруг катушки с током есть магнитное поле 
2. Катушка с током похожа на полосовой магнит и у нее есть тоже два полюса – северный и южный
3. Чем больше число витков в катушке, тем сильнее её магнитное поле.
4. Чем больше сила тока, тем сильнее магнитное поле.
5. Наличие сердечника усиливает магнитное поле.

Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой на много превышает диаметр называют соленоидом, магнитное поле внутри длинного соленоида однородно.

Опыт № 3. Магнитное поле прямого проводника с током

Беру прибор, в котором прямой проводник пропущен сквозь лист картона. На картон насыпаю тонкий и равномерный слой железных опилок, включаю ток, и опилки слегка встряхиваю. Под действием магнитного поля тока железные опилки располагаются вокруг проводника не беспорядочно, а по концентрическим окружностям.

Вывод из опыта № 3

Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой кривые, охватывающие проводник.

Вывод из проделанных опытов

Проведенные опыты подтверждают выдвинутую гипотезу. Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга. Ток следует рассматривать как источник магнитного поля.

Человека пронизывают мириады магнитных полей различного происхождения. Мы привыкли к магниту и относимся к нему снисходительно, как к устаревшему атрибуту школьных уроков физики, порой даже не подозревая, сколько магнитов вокруг нас. Я подсчитала – у меня в квартире их десятки: в электробритве, динамике, магнитофоне, в банке с гвоздями, наконец, я сама тоже магнит: биотоки, текущие во мне, рождаю вокруг причудливый пульсирующий узор магнитных линий. Земля, на которой мы живем, – гигантский голубой магнит. Солнце – желтый плазменный шар – еще более грандиозный магнит. Галактики и туманности, едва различимые радиотелескопами, – непостижимые по размерам магниты…

Ссылка на видеоролик: https://yadi.sk/i/fEaNL3z_3Jfbx3

Магнитное Поле

Магнитное Поле

Объяснение этого явления возможно с позиции возникновения вокруг проводников особого вида материи – магнитного поля.

Силы, с которыми взаимодействуют проводники с током, называются магнитными.

Магнитное поле – это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела.

История магнетизма уходит корнями в глубокую древность, к античным цивилизациям Малой Азии. Именно на территории Малой Азии, в Магнезии, находили горную породу, образцы которой притягивались друг к другу. По названию местности такие образцы и стали называть “магнетиками”. Любой магнит в форме стержня или подковы имеет два торца, которые называются полюсами; именно в этом месте сильнее всего и проявляются его магнитные свойства. Если подвесить магнит на нитке, один полюс всегда будет указывать на север. На этом принципе основан компас. Обращенный на север полюс свободно висящего магнита называется северным полюсом магнита (N). Противоположный полюс называется южным полюсом (S).

Магнитные полюсы взаимодействуют друг с другом: одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Аналогично концепции электрического поля, окружающего электрический заряд, вводят представление о магнитном поле вокруг магнита.

В 1820 г. Эрстед (1777-1851) обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная рядом с электрическим проводником, отклоняется, когда по проводнику течет ток, т. е. вокруг проводника с током создается магнитное поле. Если взять рамку с током, то внешнее магнитное поле взаимодействует с магнитным полем рамки и оказывает на нее ориентирующее действие, т. е. существует такое положение рамки, при котором внешнее магнитное поле оказывает на нее максимальное вращающее действие, и существует положение, когда вращающий момент сил равен нулю.

Магнитное поле в любой точке можно охарактеризовать вектором В, который называется вектором магнитной индукции или магнитной индукцией в точке.

Магнитная индукция В – это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в точке. Она равна отношению максимального механического момента сил, действующих на рамку с током, помещенную в однородное поле, к произведению силы тока в рамке на ее площадь:

За направление вектора магнитной индукции В принимается направление положительной нормали к рамке, которое связано с током в рамке правилом правого винта, при механическом моменте, равном нулю.

Точно так же, как изображали линии напряженности электрического поля, изображают линии индукции магнитного поля. Линия индукции магнитного поля – воображаемая линия, касательная к которой совпадает с направлением В в точке.

Направления магнитного поля в данной точке можно определить еще как направление, которое указывает

северный полюс стрелки компаса, помещенный в эту точку. Считают, что линии индукции магнитного поля направлены от северного полюса к южному.

Направление линий магнитной индукции магнитного поля, созданного электрическим током, который течет по прямолинейному проводнику, определяется правилом буравчика или правого винта. За направление линий магнитной индукции принимается направление вращения головки винта, которое обеспечивало бы поступательное его движение по направлению электрического тока (рис. 59).

В отличие от линий напряженности электростатического поля, которые начинаются на положительном заряде и оканчиваются на отрицательном, линии индукции магнитного поля всегда замкнуты. Магнитного заряда аналогично электрическому заряду не обнаружено.

За единицу индукции принимается одна тесла (1 Тл) – индукция такого однородного магнитного поля, в котором на рамку площадью 1 м², по которой течет ток в 1 А, действует максимальный вращающий механический момент сил, равный 1 Н • м.

Индукцию магнитного поля можно определить и по силе, действующей на проводник с током в магнитном поле.

На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера, величина которой определяется следующим выражением:

Направление силы Ампера можно определить по правилу левой руки: ладонь левой руки располагаем так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре пальца располагаем по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец показывает направление силы Ампера.

Учитывая, что I = q₀nSv, и подставляя это выражение в (3.21), получим F = q₀nSh/B sin a. Число частиц (N) в заданном объеме проводника равно N = nSl, тогда F = q₀NvB sin a.

Определим силу, действующую со стороны магнитного поля на отдельную заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле:

Эту силу называют силой Лоренца (1853-1928). Направление силы Лоренца можно определить по правилу левой руки: ладонь левой руки располагаем так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре пальца показывали направление движения положительного заряда, большой отогнутый палец покажет направление силы Лоренца.

Сила взаимодействия между двумя параллельными проводниками, по которым текут токи I₁ и I₂ равна:

Магнитные свойства вещества характеризует скалярная физическая величина – магнитная проницаемость, показывающая во сколько раз индукция В магнитного поля в веществе, полностью заполняющем поле, отличается по модулю от индукции В₀ магнитного поля в вакууме:

По своим магнитным свойствам все вещества делятся на диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные.

Рассмотрим природу магнитных свойств веществ.

Электроны в оболочке атомов вещества движутся по различным орбитам. Для упрощения считаем эти орбиты круговыми, и каждый электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, можно рассматривать как круговой электрический ток. Каждый электрон, как круговой ток, создает магнитное поле, которое назовем орбитальным. Кроме того, у электрона в атоме есть собственное магнитное поле, называемое спиновым.

Если при внесении во внешнее магнитное поле с индукцией В₀ внутри вещества создается индукция В < В₀, то такие вещества называются диамагнитными (n < 1).

В диамагнитных материалах при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные поля электронов скомпенсированы, и при внесении их в магнитное поле индукция магнитного поля атома становится направленной против внешнего поля. Диамагнетик выталкивается из внешнего магнитного поля.

У парамагнитных материалов магнитная индукция электронов в атомах полностью не скомпенсирована, и атом в целом оказывается подобен маленькому постоянному магниту. Обычно в веществе все эти маленькие магниты ориентированы произвольно, и суммарная магнитная индукция всех их полей равна нулю. Если поместить парамагнетик во внешнее магнитное поле, то все маленькие магниты – атомы повернутся во внешнем магнитном поле подобно стрелкам компаса и магнитное поле в веществе усиливается (n >= 1).

Ферромагнитными называются такие материалы, в которых n ” 1. В ферромагнитных материалах создаются так называемые домены, макроскопические области самопроизвольного намагничивания.

В разных доменах индукции магнитных полей имеют различные направления (рис. 61) и в большом кристалле

С увеличением индукции внешнего поля В₀ возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. При некоторых значениях В₀ индукция прекращает резкий рост. Это явление называется магнитным насыщением.

Характерная особенность ферромагнитных материалов – явление гистерезиса, которое заключается в неоднозначной зависимости индукции в материале от индукции внешнего магнитного поля при его изменении.

Петля магнитного гистерезиса – замкнутая кривая (cdc`d`c), выражающая зависимость индукции в материале от амплитуды индукции внешнего поля при периодическом достаточно медленном изменении последнего (рис. 62).

Петля гистерезиса характеризуется следующими величинами B_s, B_r, B_c. B_s – максимальное значение индукции материала при В_0s; В_r – остаточная индукция, равная значению индукции в материале при уменьшении индукции внешнего магнитного поля от B_0s до нуля; -В_с и В_с – коэрцитивная сила – величина, равная индукции внешнего магнитного поля, необходимого для изменения индукции в материале от остаточной до нуля.

Для каждого ферромагнетика существует такая температура (точка Кюри (Ж. Кюри, 1859-1906), выше которой ферромагнетик утрачивает свои ферромагнитные свойства.

Существует два способа приведения намагниченного ферромагнетика в размагниченное состояние: а) нагреть выше точки Кюри и охладить; б) намагничивать материал переменным магнитным полем с медленно убывающей амплитудой.

Ферромагнетики, обладающие малой остаточной индукцией и коэрцитивной силой, называются магнитомягкими. Они находят применение в устройствах, где ферромагнетику приходится часто перемагничиваться (сердечники трансформаторов, генераторов и др.).

Магнитожесткие ферромагнетики, обладающие большой коэрцитивной силой, применяются для изготовления постоянных магнитов.

Физики МГУ создали магнитное поле, которое помогает прижиться имплантатам

Группа физиков из России при участии швейцарских коллег разработала способ использования терапевтического действия нагрева или охлаждения тканей за счет магнитокалорического эффекта. Статью с результатами своих работ ученые опубликовали в последнем номере журнала International Journal of Refrigeration.

Группа ученых из МГУ имени М.В.Ломоносова предложила новый способ применения магнитокалорического эффекта для адресной доставки лекарств в месте установки имплантата. Один из авторов работы Владимир Зверев (физический факультет МГУ имени М.В.Ломоносова) утверждает, что аналогов данного метода, использующего отрицательный магнитокалорический эффект, в мире не существует.

Суть магнитокалорического эффекта (МКЭ) сводится к тому, что при воздействии внешнего магнитного поля на магнитный материал температура этого материала изменяется, иногда повышаясь, а иногда, наоборот, падая (в зависимости от материала). Это важное физическое явление было обнаружено еще в позапрошлом веке, хотя как эффект было описано лишь в 1917 году. За прошедшее столетие МКЭ был изучен очень подробно, однако интерес исследователей к нему не только не упал, но, наоборот, резко возрос в последние десятилетия. Это объясняется, во-первых, большим количеством информации о физике магнитных материалов, которую можно из этого эффекта извлечь, и, во-вторых, довольно обширной областью его возможных применений. Его можно с большим успехом применять в физике низких температур, для производства тепловых машин, холодильных установок и пр.

Однако большинство этих применений к коммерческому использованию пока не готово, главным образом, из-за неготовности технологий. Если, например, говорить о бытовых магнитных холодильниках, то, хотя они разрабатываются сегодня многими научно-промышленными лабораториями по всему миру, по словам одного из авторов статьи Владимира Зверева, сотрудника физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова, такие холодильники, если бы их сегодня производили, были бы очень дорогими.

«Для таких холодильников требуется магнитное поле порядка одного тесла, что при сегодняшних возможностях делает цены на них очень высокими и потому коммерчески неприемлемыми — одно только устройство для генерации такого поля обойдется как минимум в полторы тысячи долларов. Остается ждать, когда они подешевеют», — комментирует Владимир Зверев.

Однако это не помешало авторам работы предложить новое применение магнитокалорического эффекта, причем практически готовое к массовому использованию, — на этот раз в медицине.

Один из методов, разработанных исследователями, носит название «магнитожидкостная гипотермия» и сводится к нагреву онкологических новообразований специальными магнитными наночастицами, адресно доставляемыми в место опухоли. Для этого исследователями разработана и создана уникальная установка по созданию переменного высокочастотного магнитного поля, которой, как уверяет Владимир Зверев, не существует аналогов в мире. На сегодня с помощью этой установки в Российском научном онкологическом центре им. Н.Н. Блохина проведены первичные исследования клеточных культур различных типов раковых опухолей. Проведены также исследования на мышах, доказавшие биосовместимость и нетоксичность микрочастиц. Ставятся также эксперименты по фармакокинетике микрочастиц, с помощью которых выясняется, как они удерживаются в опухоли, как распространяются в организме кровотоком и т.п.

Если о возможности подобного использования магнитокалорического эффекта в научной литературе по крайней мере упоминалось — ведь давно известно, что нагрев опухоли может привести к ее деградации, — то вторая методика, предложенная учеными, совершенно уникальна.

Как известно, одной из проблем при имплантации в человеческий организм инородных тел — искусственных суставов, брюшных сеток, стентов пищевода, моче- и желчевыводящих протоков и пр.  — является вероятность их отторжения. Авторы статьи предлагают наносить на имплантаты (еще во время их подготовки к установке в организм) специальное покрытие, состоящее из нескольких слоев. Первый слой – магнитный материал, который охлаждается во внешнем магнитном поле (материал с отрицательным магнитокалорическим эффектом). Этот слой может представлять собой тонкую пленку или суспензию из магнитных микрочастиц. Второй слой  – полимерная матрица, в которую, как в губку, помещено лекарственное вещество. Полимерная матрица находится в непосредственном тепловом контакте с магнитокалорическим материалом. Вся эта конструкция во время операции помещается в организм.

Дело в том, что полимер, используемый в технологиии, при нормальной температуре внутри организма, то есть при температуре выше 37 градусов, похож на желе, которое удерживает внутри себя лекарство. Когда магнитное поле понижает температуру магнитного материала, полимер переходит в жидкообразное состояние и выпускает лекарство в месте установки имплантата. Например, когда после установки имплантата происходит воспаление, неинвазивное приложение внешнего магнитного поля (например, в установке МРТ) позволит выпустить нужную порцию лекарства в течение нужного времени в нужном месте.

Такой метод «адресной» доставки лекарств, хорош, в частности, уже тем, что он воздействует только на источник воспаления и лишен всякой связи с остальным организмом, то есть уже по определению для него совершенно безвреден. Есть, правда, проблема — пока непонятно, что делать, если лекарство в оболочке закончится. 

Зверев утверждает, что и эта проблема решаема: «Во-первых, — говорит он, — в некоторых случаях необходим только один, «залповый сброс» лекарства, например, необходимого для того, чтобы приклеилась брюшная сетка. А выпуск дозированных порций лекарства можно регулировать, управляя величиной внешнего магнитного поля. Можно также пополнять оболочку новым запасом лекарства, используя то обстоятельство, что лекарство химически может быть соединено с магнитными частицами, которые можно «дотащить» до нужного места в организме внешним магнитным полем. Правда, этот способ мы не разрабатывали, и он находится сейчас только в виде идеи».

Урок 3. магнитная индукция. действие магнитного поля на проводник с током и движущуюся заряженную частицу – Физика – 11 класс

Физика, 11 класс

Урок 3. Магнитная индукция. Действие магнитного поля на проводник и движущуюся заряжённую частицу

Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:

1) магнитное поле;

2) вектор магнитной индукции, линии магнитной индукции;

3) сила Ампера, сила Лоренца;

4) правило буравчика, правило левой руки.

Глоссарий по теме

Магнитная индукция – векторная величина, характеризующая величину и направление магнитного поля.

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

Сила Лоренца – сила, действующая со стороны магнитного поля на движущую частицу с зарядом.

Правило «буравчика» – правило для определения направления магнитного поля проводника с током.

Правило левой руки – правило для определения направления силы Ампера и силы Лоренца.

Соленоид – проволочная катушка.

Рамка с током – небольшой длины катушка с двумя выводами из скрученного гибкого проводника с током, способная поворачиваться вокруг оси, проходящей через диаметр катушки.

Основная и дополнительная литература по теме урока

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б.,. Чаругин В.М. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций. М.: Просвещение, 2014. – С. 3 – 20

2. А.П. Рымкевич. Сборник задач по физике. 10-11 классы. – М: Дрофа, 2009. – С.109 – 112

Основное содержание урока

Магнитное поле – особый вид материи, которая создаётся электрическим током или постоянными магнитами. Для демонстрации действия и доказательства существования магнитного поля служат магнитная стрелка, способная вращаться на оси, или небольшая рамка (или катушка) с током, подвешенная на тонких скрученных гибких проводах.

Рамка с током и магнитная стрелка под действием магнитного поля поворачиваются так, что северный полюс (синяя часть) стрелки и положительная нормаль рамки указывают направление магнитного поля.

Магнитное поле, созданное постоянным магнитом или проводником с током, занимает всё пространство в окрестности этих тел. Магнитное поле принято (удобно) изображать в виде линий, которые называются линиями магнитного поля. Магнитные линии имеют вихревой характер, т.е. линии не имеют ни начала, ни конца, т.е. замкнуты. Направление касательной в каждой точке линии совпадает с направлением вектора магнитной индукции. Поля с замкнутыми линиями называются вихревыми.

Магнитное поле характеризуется векторной величиной, называемой магнитной индукцией. Магнитная индукция характеризует «силу» и направление магнитного поля – это количественная характеристика магнитного поля.

Она обозначается символом За направление вектора магнитной индукции принимают направление от южного полюса к северному магнитной стрелки, свободно установившейся в магнитном поле.

Направление магнитного поля устанавливают с помощью вектора магнитной индукции.

Направление вектора магнитной индукции прямого провода с током определяют по правилу буравчика (или правого винта).

Правило буравчика звучит следующим образом:

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.

Направление магнитного поля внутри соленоида определяют по правилу правой руки.

Определим модуль вектора магнитной индукции.

Наблюдения показывают, что максимальное значение силы, действующей на проводник, прямо пропорционально силе тока, длине проводника, находящегося в магнитном поле.

F_max ~ I; F ~ Δl.

Тогда, зависимость силы от этих двух величин выглядит следующим образом

Отношение зависит только от магнитного поля и может быть принята за характеристику магнитного поля в данной точке.

Величина, численно равная отношению максимальной силы, действующей на проводник с током, на произведение силы тока и длины проводника, называется модулем вектора магнитной индукции:

Единицей измерения магнитной индукции является 1 тесла (Тл).

1Тл = 1Н/(1А∙1м).

Закон Ампера:

Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, равна произведению модуля магнитной индукции, силы тока, длины проводника и синуса угла между вектором магнитной индукции и направлением тока:

где α – угол между вектором B и направлением тока.

Направление силы Ампера определяется правилом левой руки:

Если ладонь левой руки развернуть так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90⁰ большой палец покажет направление силы Ампера.

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

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля. Её численное значение равно произведению заряда частицы на модули скорости и магнитной индукции и синус угла меду векторами скорости и магнитной индукции:

– заряд частицы;

– скорость частицы;

B – модуль магнитной индукции;

– угол между векторами скорости частицы и магнитной индукции.

Направление силы Лоренца также определяют по правилу левой руки:

Если четыре вытянутых пальца левой руки направлены вдоль вектора скорости заряженной частицы, а вектор магнитной индукции направлен в ладонь, то отведённый на 90⁰ большой палец покажет направление силы Лоренца. Если частица имеет заряд отрицательного знака, то направление силы Лоренца противоположно тому направлению, которое имела бы положительная частица.

Получим формулы для радиуса окружности и периода вращения частицы, которая влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции, применяя формулы второго закона Ньютона и центростремительного ускорения.

Согласно 2-му закону Ньютона

Отсюда

Время, за которое частица делает полный оборот (период обращения), равно:

Многим юным бывает досадно, что они не родились в старые времена, когда делались открытия. Им кажется, что теперь всё известно и никаких открытий на их долю не осталось.

Одной из нераскрытых тайн является механизм земного магнитного поля. Как же и чем вызывается магнитное поле Земли? Подумайте и может быть…

Одна из возможных гипотез.

Как известно, ядро Земли имеет высокую температуру

и высокую плотность. Судя по исследованиям, в самом центре содержится твёрдое ядро. При вращении Земли вокруг своей оси центр тяжести не совпадает с геометрическим центром из-за притяжения Солнца. В результате сместившееся из центра ядро вращаясь относительно оболочки Земли вызывает такое же движение жидкой расплавленной массы мантии, как чайная ложка, перемешивающая воду в стакане. Получается не что иное, как направленное движение зарядов. Есть электрический ток, а он, в свою очередь, создаёт магнитное поле.

Разбор тренировочных заданий

1. На рисунке изображён проводник с током, помещённый в магнитное поле. Стрелка указывает направление тока в проводнике. Вектор магнитной индукции направлен перпендикулярно плоскости рисунка к нам. Как направлена сила, действующая на проводник с током?

Варианты ответов:

1. вправо →;

2. влево ←;

3. вниз ↓;

4. вверх ↑.

– точка означает, что магнитная индукция направлена на нас из глубины плоскости рисунка.

Используя правило левой руки, определяем направление силы Ампера:

Левую руку располагаем так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, 4 пальца направим вниз по направлению тока, тогда отогнутый на 90⁰ большой палец покажет направление силы Ампера, т. е. она направлена влево.

Правильный вариант:

2. влево ←.

2. По проводнику длиной 40 см протекает ток силой 10 А. Чему равна индукция магнитного поля, в которое помещён проводник, если на проводник действует сила 8 мН?

(Ответ выразите в мТл).

3. Определите модуль силы, действующей на проводник длиной 50 см при силе тока 10 А в магнитном поле с индукцией 0,15 Тл. (Ответ выразите в мН).

4. Протон в магнитном поле с индукцией 0,01 Тл описал окружность радиусом 10 см. Найдите скорость протона. (Ответ выразите в км/с, округлив до десятков)

5. С какой скоростью влетает электрон в однородное магнитное поле (индукция 1,8 Тл) перпендикулярно к линиям индукции, если магнитное поле действует на него с силой 3,6∙10^–¹² Н? Ответ выразите в км/с.

6. Электрон движется в однородном магнитном поле с индукцией 3,14мТл. Чему равен период обращения электрона? (Ответ выразите в наносекундах, округлив до целых)

2. Дано:

l = 40cм = 0,4 м,

I = 10 A,

F =8 мН = 0,008 Н.

Найти: B

Решение:

Запишем формулу модуля магнитной индукции:

Делаем расчёт:

B = 0,008 Н / ( 0,4м·10 A) = 0,002 Tл = 2 мTл.

Ответ: 2 мTл.

3. Дано:

l = 50 cм = 0,5 м,

I = 10 A,

B = 0,l5 Tл.

Найти: F

Решение:

Запишем формулу силы Ампера:

Делаем расчёт:

F = 0,l5 Tл· 10 A· 0,5 м = 0,75 Н = 750 мН

Ответ: 750 мН.

4. Дано:

B = 0,0l Tл,

r = l0 cм = 0,l м.

Найти: v

Решение:

Заряд протона равен: q₀ = l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл,

масса протона: m = l,67·l0⁻²⁷ кг.

Согласно 2-му закону Ньютона:

Отсюда следует:

Делаем расчёт:

v = ( l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл·0,l м·0,0l Tл) / l,67·l0⁻²⁷ кг ≈ 0,00096·l0⁸ м/с ≈ l00 км/с.

Ответ: v ≈ l00 км/с.

5. Дано:

B = l,8 Tл,

F = 3,6·l0⁻¹² Н,

α = 90°.

Найти:

Решение:

Заряд электрона равен: q₀ = l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл.

Используем формулу силы Лоренца:

.

Выразим из формулы силы скорость, учитывая, что sin90°=l,

Делаем расчёт:

v = 3,6·l0⁻¹² Н / (l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл· l,8 Tл) = l,25·l0⁷м/с = l2500 км/с.

Ответ: v = l2500 км/с.

6. Дано:

B = 3,l4 мТл = 3,l4·l0⁻³ Tл,

q₀ = l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл,

Найти: Т

Решение:

Масса электрона равна: m = 9,l·l0⁻³¹ кг.

Время, за которое частица делает полный оборот (период обращения), равно:

Делаем расчёт:

T = 2·3,l4·9,l·l0⁻³¹ кг/( l,6·l0⁻ˡ⁹ Кл·3,l4·l0⁻³ Tл) = ll,375·l0⁻⁹ с ≈ ll нс.

Ответ: T ≈ ll нс.

Физики научились управлять движением магнитных вихрей – Наука – Коммерсантъ

Международный коллектив ученых исследовал характеристики движения магнитных вихрей в сверхтонких пленках. Сделан важный шаг на пути к полному управлению магнитными вихрями, а умение ими управлять позволит создать устройства для хранения и передачи информации, более эффективные, чем современные жесткие диски.

Александр Садовников, руководитель проекта, кандидат физико-математических наук, Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского

Магнитное и электрическое поля взаимосвязаны — первое порождает второе и наоборот. В проводящих электрический ток пленках толщиной несколько ангстрем при воздействии магнитного поля образуются завихрения, называемые скирмионами. Эти объекты в миллионы раз меньше миллиметра и ведут себя так, словно являются настоящими частицами: могут двигаться и отвечать на изменения магнитного поля. Скирмионы обнаружены недавно. А в традиционных магнетиках давно известны другие магнитные возбуждения — магноны (кванты спиновой волны). Магнон — это один перевернутый спин, путешествующий по кристаллу, в котором все остальные спины смотрят в противоположную сторону.

— внесистемная единица измерения длины, равная десятой части нанометра (10^-10 м, или 0,1 нм). Названа в честь шведского физика Андерса Ангстрема.

Одним из наиболее интересных и актуальных вопросов в мире магнетизма является поиск режимов взаимодействия магнонов и скирмионов. Эти исследования находятся на стыке двух научных направлений — магноники и скирмионики.

Закон Мура и магноны

Большое число исследований сейчас направлено на решение фундаментальной научной задачи — поиск новых типов носителей и материальных сред для генерации, обработки и передачи сигналов. Как говорят, на создание альтернативной электроники. Согласно международной «дорожной карте» по развитию полупроводниковых технологий, за последние 15 лет выявились границы применимости закона Мура, согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые два года. В области цифровых технологий, роботизированных систем и систем обработки данных эта проблема особенно актуальна, поскольку физический предел, когда закон Мура перестает работать, уже достигнут. Не менее важной проблемой при использовании традиционной полупроводниковой элементной базы является высокое тепловыделение, а как следствие необходимость создания охлаждающих станций.

Поэтому актуальной задачей является переход на новую компонентную базу для энергоэффективных систем обработки сигналов на новых физических принципах. Одно из таких направлений — и одно из наиболее перспективных — это магноника, то есть создание новой компонентной базы на основе магнитных возбуждений.

Схематическое изображение скирмионов «разных сортов»

Управление свойствами магнонов возможно в созданных в последнее время многослойных магнонных сетях, представляющих собой топологию планарных связанных магнитных наноструктур. Несомненным преимуществом магнонных сетей является возможность интеграции в полупроводниковые топологии стандартных интегральных микросхем. Это стало возможным благодаря созданию магнитных сред (на полупроводниковых подложках) с малым затуханием спиновых волн, что, в свою очередь, может сыграть ключевую роль в создании устройств нового поколения с повышенной радиационной стойкостью для передовых цифровых систем микроволнового и терагерцового диапазона.

Магноны и скирмионы

Термин «скирмион» введен Тони Скирмом (Tony Skyrme, он конечно, Скайрм, но у нас прижилась буквальная транскрипция) в 1962 году для интерпретации полученного им решения нелинейных уравнений, причем первоначально в теории элементарных частиц. Позднее скирмион проник в физику магнетизма, здесь-то и был обнаружен экспериментально.

Сейчас благодаря прогрессу в технологии изготовления и исследования магнитных структур оказывается возможным не только наблюдать формирование скирмионов в магнитных пленках, но и управлять процессами генерации, распространения и взаимодействия скирмионов друг с другом.

Скирмион является топологическими объектом. Не вдаваясь в высокую терминологию, это означает вот что. Чтобы уничтожить обычный магнон, нужно перевернуть назад всего один спин. Поэтому магноны живут сравнительно недолго. Со скирмионом так не получится, чтобы его извести, надо повернуть огромное количество спинов. Скирмион живет долго, потому что он топологически защищен. Таким образом, скирмион — перспективный кандидат на роль носителя информационного сигнала в спинтронике.

В наших экспериментах двумерный скирмион формируется из трехмерного распределения намагниченности внутри магнитной пленки. Если представить магнитное поле как потоки воздуха, то скирмионы можно сравнить с вихрями, образующимися под действием локальной разности давления. Кроме того, внутри магнитной пленки распространяются и обычные спиновые волны — магноны.

Как и воздушные вихри и просто потоки воздуха, скирмионы и спиновые волны чувствительны к ландшафту под ними. Размер скирмионов во многом определяется свойствами материала, его несовершенствами. Например, возмущение магнитного поля может сформироваться возле небольшой царапины или, наоборот, выступа. Поскольку речь идет об очень маленьких объектах в сверхтонких пленках, точкой, инициирующей создание скирмиона, может стать пара атомов, возвышающихся над основной поверхностью. Одновременно скирмионы могут возбуждаться или управляться и спиновыми волнами.

Можно ли управлять скирмионом

Особенностью топологически стабильных конфигураций является возможность их рождения и существования при комнатной температуре, что позволяет создавать носители информации, работающие быстрее и надежнее современных. Сегодня для хранения данных нужно наложить магнитное поле на участок диска фиксированного размера, задавая тем самым значение 1 или 0 машинного кода. Создание скирмионов меньше этого размера позволит существенно «уплотнить» хранилище.

Но для хранения и манипуляции данными необходимо ответить на вопрос: можно ли управлять магнонами и скирмионами? Попытаемся ответить на него.

Одной из причин возникновения скирмионов является асимметричное взаимодействие Дзялошинского—Мории, ВДМ, (Dzyaloshinskii—Moriya interaction, DMI). Между прочим, существование этого взаимодействия еще в конце 50-х годов предсказал советский (сейчас американский) ученый Игорь Дэялошинский.

ВДМ обусловлено нарушением центральной симметрии в магнитном веществе. Для этого магнитные пленки формируются, например, на подложке тяжелого металла. Недавно было показано, что анизотропией ВДМ можно управлять путем упругого деформирования структуры, что приводит к изменению свойств магнонов, распространяющихся в магнитной пленке. И что очень важно, при изменении величины взаимодействия удается управлять и скирмионами. Более того, можно предположить, что изменение знака ВДМ приведет к переходу от одного топологического состояния к другому — от скирмиона к антискирмиону. Настоящий факт может позволить в ближайшее время наблюдать при комнатной температуре топологический фазовый переход Березинского—Костерлица—Таулеса («Ъ-Наука» писала про этот переход осенью 2016 года, когда за его теорию была присуждена Нобелевская премия).

Скирмионы в компьютерах будущего

Результат исследования термического спектра спиновых волн с помощью метода мандельштам-бриллюэновской спектроскопии, демонстрирующий асимметрию стоксового и антистоксового пиков неупругого рассеяния

Но мало того, что скирмион топологически устойчив. У него есть два направления закрученности (по часовой стрелке и против часовой стрелки) и два направления спина (вверх и вниз). Всего четыре комбинации. А следовательно, на основе магнитных вихрей возможно создание небулевой четырехзначной логики для обработки сигналов. Но даже и без этого, ввиду субнанометровых размеров магнитных пленок и нанометровых размеров самих вихрей ожидается повышение плотности хранения информации. И наконец, за счет управления движением вихрей можно создавать так называемую «беговую память» (racetrack memory). В жестком диске информация регистрируется с вращающегося элемента, а в запоминающем устройстве нового поколения по неподвижной тонкой проволоке мимо считывателя будут пробегать скирмионы. Это позволит обойтись без механически движущихся частей, что ускорит работу и повысит надежность запоминающего устройства.

Скирмионы в лаборатории магнитных метаматериалов

В работе коллектива, в который вошли ученые из лаборатории «Магнитные метаматериалы» Саратовского университета, был исследован спиновый транспорт в многослойных сверхтонких магнитных пленках и процессы формирования в них стабильных скирмионов.

При этом толщины магнитных слоев в пленках имели величину менее одной миллионной доли миллиметра. На уникальной установке мандельштам-бриллюэновской спектроскопии можно увидеть колебания локального магнитного поля. Для этого использовались лазерные источники узконаправленного света в определенном диапазоне длин волн. Луч фокусировали на образце с помощью микрообъектива. Световые частицы теряют часть энергии или, наоборот, приобретают дополнительную после взаимодействия с магнитными волнами. Было показано, что скирмионами можно управлять, воздействуя на них электрическим током.

Демонстрация движения скирмионных вихрей при пропускании тока через структуру Ta(3.2)/Pt(2.7)/[CoB (0.8)/Ir (0.4)/Pt (0.6)]×5/Pt (2.2). Направление приложенного тока указано красной и синей стрелкой.

Фото: www.nature.com

Однако большой вклад вносит микроструктура материала, по которому идет движение. Даже небольшие царапинки и несовершенства приводят к отклонению магнитных вихрей. Раннее считалось, что скирмион отклоняется от направления управляющего им электрического тока на угол, зависящий от размера завихрения. Международный коллектив исследователей обнаружил, что для скирмионов диаметром от 35 до 825 миллионных долей миллиметра угол остается неизменным и равным 9°. То есть направление движения скирмионов с размерами в изученном диапазоне будет одинаковым. Это открывает новые перспективы для создания управляемых устройств «беговой» памяти с возможностью пространственного разделения скирмионов по размеру, кодирования в их размерах дополнительной информации и возможностью ускоренного обращения к данным, записанным в скирмионах нужного типа.

Conclusion

Так обычно называется завершающий раздел в научных статьях. Здесь это вот что.

С помощью уникальной методики исследования латерального спин-волнового транспорта в ультратонких магнитных пленках с толщинами меньше одного нанометра методом мандельштам-бриллюэновской спектроскопии магнитных материалов удалось провести измерения управляемого спин-волнового транспорта. Разработка методов управления динамикой спиновых волн и скирмионов открывает возможность создания систем обработки информационного сигнала нового поколения. Исследования проводились в лаборатории магнитных метаматериалов Саратовского государственного университета под руководством члена-корреспондента Российской академии наук, профессора, доктора физико-математических наук Сергея Никитова и профессора, доктора физико-математических наук Юрия Шараевского.

В изготовлении ультратонких магнитных структур и проведении измерений движения скирмионов принимали участие сотрудники Школы физики и астрономии и Школы электроники и электротехники университета Лидса (School of Physics and Astronomy, School of Electronic and Electrical Engineering University of Leeds, UK), Национальной физической лаборатории в Тэддингтоне (National Physical Laboratory, Teddington, UK), физического факультета Оксфордского университета (Department of Physics, University of Oxford, UK), Научно-инновационного центра Харуэлл (Harwell Science and Innovation Campus, UK), института Пауля Шеррера (Paul Scherrer Institute, Switzerland), Института

Исследования поддержаны Президентской программой исследовательских проектов Российского научного фонда, грант 18–79-00198, https://rscf.ru/contests/search-projects/18–79-00198/

магнитное поле | Определение и факты

Магнитное поле , векторное поле вблизи магнита, электрического тока или изменяющегося электрического поля, 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.

Подробнее по этой теме

Магнетизм: основы

В основе магнетизма лежат магнитные поля и их влияние на материю, как, например, отклонение движущихся зарядов и крутящих моментов на другие …

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

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, разветвляются и вращаются, входят в магнит на южном полюсе и проходят 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.