Физика магнетизм: Ошибка: 404 Материал не найден

Издания | Библиотечно-издательский комплекс СФУ

Все года изданияТекущий годПоследние 2 годаПоследние 5 летПоследние 10 лет

Все виды изданийУчебная литератураНаучная литератураЖурналыМатериалы конференций

Все темыЕстественные и точные наукиАстрономияБиологияГеографияГеодезия. КартографияГеологияГеофизикаИнформатикаКибернетикаМатематикаМеханикаОхрана окружающей среды. Экология человекаФизикаХимияТехнические и прикладные науки, отрасли производстваАвтоматика. Вычислительная техникаБиотехнологияВодное хозяйствоГорное делоЖилищно-коммунальное хозяйство. Домоводство. Бытовое обслуживаниеКосмические исследованияЛегкая промышленностьЛесная и деревообрабатывающая промышленностьМашиностроениеМедицина и здравоохранениеМеталлургияМетрологияОхрана трудаПатентное дело. Изобретательство. РационализаторствоПищевая промышленностьПолиграфия. Репрография. ФотокинотехникаПриборостроениеПрочие отрасли экономикиРыбное хозяйство. АквакультураСвязьСельское и лесное хозяйствоСтандартизацияСтатистикаСтроительство. АрхитектураТранспортХимическая технология. Химическая промышленностьЭлектроника. РадиотехникаЭлектротехникаЭнергетикаЯдерная техникаОбщественные и гуманитарные наукиВнешняя торговляВнутренняя торговля. Туристско-экскурсионное обслуживаниеВоенное делоГосударство и право. Юридические наукиДемографияИскусство. ИскусствоведениеИстория. Исторические наукиКомплексное изучение отдельных стран и регионовКультура. КультурологияЛитература. Литературоведение. Устное народное творчествоМассовая коммуникация. Журналистика. Средства массовой информацииНародное образование. ПедагогикаНауковедениеОрганизация и управлениеПолитика и политические наукиПсихологияРелигия. АтеизмСоциологияФизическая культура и спортФилософияЭкономика и экономические наукиЯзыкознаниеХудожественная литератураХудожественные произведения

Все институтыВоенно-инженерный институтБазовая кафедра специальных радиотехнических системВоенная кафедраУчебно-военный центрГуманитарный институтКафедра ИТ в креативных и культурных индустрияхКафедра истории России, мировых и региональных цивилизацийКафедра культурологии и искусствоведенияКафедра рекламы и социально-культурной деятельностиКафедра философииЖелезногорский филиал СФУИнженерно-строительный институтКафедра автомобильных дорог и городских сооруженийКафедра инженерных систем, зданий и сооруженийКафедра проектирования зданий и экспертизы недвижимостиКафедра строительных конструкций и управляемых системКафедра строительных материалов и технологий строительстваИнститут архитектуры и дизайнаКафедра архитектурного проектированияКафедра градостроительстваКафедра дизайнаКафедра дизайна архитектурной средыКафедра изобразительного искусства и компьютерной графикиИнститут горного дела, геологии и геотехнологийКафедра геологии месторождений и методики разведкиКафедра геологии, минералогии и петрографииКафедра горных машин и комплексовКафедра инженерной графикиКафедра маркшейдерского делаКафедра открытых горных работКафедра подземной разработки месторожденийКафедра технической механикиКафедра технологии и техники разведкиКафедра шахтного и подземного строительстваКафедра электрификации горно-металлургического производстваИнститут инженерной физики и радиоэлектроникиБазовая кафедра “Радиоэлектронная техника информационных систем”Базовая кафедра инфокоммуникацийБазовая кафедра физики конденсированного состояния веществаБазовая кафедра фотоники и лазерных технологийКафедра нанофазных материалов и нанотехнологийКафедра общей физикиКафедра приборостроения и наноэлектроникиКафедра радиотехникиКафедра радиоэлектронных системКафедра современного естествознанияКафедра теоретической физики и волновых явленийКафедра теплофизикиКафедра экспериментальной физики и инновационных технологийКафедры физикиИнститут космических и информационных технологийБазовая кафедра “Интеллектуальные системы управления”Базовая кафедра геоинформационных системКафедра высокопроизводительных вычисленийКафедра вычислительной техникиКафедра информатикиКафедра информационных системКафедра прикладной математики и компьютерной безопасностиКафедра разговорного иностранного языкаКафедра систем автоматики, автоматизированного управления и проектированияКафедра систем искусственного интеллектаИнститут математики и фундаментальной информатикиБазовая кафедра вычислительных и информационных технологийБазовая кафедра математического моделирования и процессов управленияКафедра алгебры и математической логикиКафедра высшей и прикладной математикиКафедра математического анализа и дифференциальных уравненийКафедра математического обеспечения дискретных устройств и системКафедры высшей математики №2афедра теории функцийИнститут нефти и газаБазовая кафедра пожарной и промышленной безопасностиБазовая кафедра проектирования объектов нефтегазового комплексаБазовая кафедра химии и технологии природных энергоносителей и углеродных материаловКафедра авиационных горюче-смазочных материаловКафедра бурения нефтяных и газовых скважинКафедра геологии нефти и газаКафедра геофизикиКафедра машин и оборудования нефтяных и газовых промысловКафедра разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторожденийКафедра технологических машин и оборудования нефтегазового комплексаКафедра топливообеспеченя и горюче-смазочных материаловИнститут педагогики, психологии и социологииКафедра информационных технологий обучения и непрерывного образованияКафедра общей и социальной педагогикиКафедра психологии развития и консультированияКафедра современных образовательных технологийКафедра социологииИнститут торговли и сферы услугБазовая кафедра таможенного делаКафедра бухгалтерского учета, анализа и аудитаКафедра гостиничного делаКафедра математических методов и информационных технологий в торговле и сфере услугКафедра технологии и организации общественного питанияКафедра товароведения и экспертизы товаровКафедра торгового дела и маркетингаОтделение среднего профессионального образования (ОСПО)Институт управления бизнес-процессамиКафедра бизнес-информатики и моделирования бизнес-процессовКафедра маркетинга и международного администрированияКафедра менеджмент производственных и социальных технологийКафедра цифровых технологий управленияКафедра экономики и управления бизнес-процессамиКафедра экономической и финансовой безопасностиИнститут физ. культуры, спорта и туризмаКафедра медико-биологических основ физической культуры и оздоровительных технологийКафедра теоретических основ и менеджмента физической культуры и туризмаКафедра теории и методики спортивных дисциплинКафедра физической культурыИнститут филологии и языковой коммуникацииКафедра восточных языковКафедра журналистики и литературоведенияКафедра иностранных языков для гуманитарных направленийКафедра иностранных языков для естественнонаучных направленийКафедра иностранных языков для инженерных направленийКафедра романских языков и прикладной лингвистикиКафедра русского языка и речевой коммуникацииКафедра русского языка как иностранногоКафедра теории германских языков и межкультурной коммуникацииИнститут фундаментальной биологии и биотехнологииБазовая кафедра “Медико-биологические системы и комплексы”Базовая кафедра биотехнологииКафедра биофизикиКафедра водных и наземных экосистемКафедра геномики и биоинформатикиКафедра медицинской биологииИнститут цветных металлов и материаловеденияБазовая кафедра “Технологии золотосодержащих руд”Кафедра автоматизации производственных процессов в металлургииКафедра аналитической и органической химииКафедра инженерного бакалавриата СDIOКафедра композиционных материалов и физико-химии металлургических процессовКафедра литейного производстваКафедра металловедения и термической обработки металловКафедра металлургии цветных металловКафедра обогащения полезных ископаемыхКафедра обработки металлов давлениемКафедра общаей металлургииКафедра техносферной безопасности горного и металлургического производстваКафедра физической и неорганической химииКафедра фундаментального естественнонаучного образованияИнститут экологии и географииКафедра географииКафедра охотничьего ресурсоведения и заповедного делаКафедра экологии и природопользованияИнститут экономики, государственного управления и финансовКафедра бухгалтерского учета и статистикиКафедра международной и управленческой экономикиКафедра социально-экономического планированияКафедра теоретической экономикиКафедра управления человеческими ресурсамиКафедра финансов и управления рискамиКрасноярская государственная архитектурно-строительная академияКрасноярский государственный технический университетКрасноярский государственный университетМежинститутские базовые кафедрыМежинститутская базовая кафедра “Прикладная физика и космические технологии”Политехнический институтБазовая кафедра высшей школы автомобильного сервисаКафедра конструкторско-технологического обеспечения машиностроительных производствКафедра материаловедения и технологии обработки материаловКафедра машиностроенияКафедра прикладной механикиКафедра робототехники и технической кибернетикиКафедра стандартизации, метрологии и управления качествомКафедра тепловых электрических станцийКафедра теплотехники и гидрогазодинамикиКафедра техногенных и экологических рисков в техносфереКафедра техносферной и экологической безопасностиКафедра транспортаКафедра транспортных и технологических машинКафедра химииКафедра электроэнергетикиХакасский технический иститутЮридический институтКафедра гражданского праваКафедра иностранного права и сравнительного правоведенияКафедра конституционного, административного и муниципального праваКафедра международного праваКафедра предпринимательского, конкурентного и финансового праваКафедра теории и истории государства и праваКафедра теории и методики социальной работыКафедра трудового и экологического праваКафедра уголовного праваКафедра уголовного процеса и криминалистики

По релевантностиСначала новыеСначала старыеПо дате поступленияПо названиюПо автору

Физика в опытах.

Часть 2. Электричество и магнетизм

Наглядно – интересно – просто – понятно! Данный курс представляет собой серию физических опытов, наглядно демонстрирующих работу основных законов механики. Демонстрацию физических явлений проводит незаурядный преподаватель, доцент кафедры общей физики НИЯУ «МИФИ» — Валериан Иванович Гервидс, глубокие знания и огромный преподавательский опыт которого делает курс «Физика в опытах. Электричество и магнетизм» уникальным. Курс состоит из девяти модулей по основным разделам: Электрическое поле, Проводники в электрическом поле, Энергия электрического поля, Постоянный электрический ток, Магнитное поле, Магнитное поле в веществе, Электромагнитная индукция, Квазистационарные токи, Электрический ток в газах. В его основе этого курса лежат 64 опыта, в которых объясняются различные физические явления. Зачем изучать этот курс? • Физика – наука экспериментальная. Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать или прочитать! • Именно эксперименты позволяют продемонстрировать и легко понять и простые, и сложные аспекты, которые традиционно преподаются в виде теоретического материала и математических моделей • Курс поможет Вам научиться использовать: o эксперимент как способ постановки вопроса, o эксперимент как инструмент изучения физического явления o эксперимент как форму ответа на вопрос • Очень часто достаточно «простые» физические вопросы имеют неожиданные ответы, которые зависят от конкретных условий проведения эксперимента.

Демонстрация таких опытов и объяснение полученных в них результатов могут оказаться чрезвычайно интересными • Вы сможете увидеть применение изучаемых физических явлений в жизни, в технике и в быту • Изучая этот курс, вы восполните нехватку времени на экспериментальную, «живую» физику, которая ощущается в обычном учебном процесс Чему учит этот курс? • Пониманию широкого круга как простых, так и сложных физических явлений и процессов по тематике соответствующих разделов • Применению физических закономерностей для анализа различных физических явлений и процессов • Навыкам использования эксперимента • Базовым знаниям по физике будущих инженеров и специалистов в различных областях деятельности. Для кого этот курс? • Для тех, кто изучает физику, и хочет прояснить для себя различные вопросы (в школе, в вузе) • Для тех, кто преподает физику (в школе, в вузе) • Для тех, кто использует физику в своем рабочем процессе (инженеры, программисты и т.д.) • Для тех, кому это просто интересно

Наглядная физика.

Магнетизм

Опыт Эрстеда

Модель наглядно демонстрирует известный опыт X. Эрстеда, впервые показавшего действие электрического тока на магнитную стрелку, находящуюся вблизи проводника с током. Можно изменять силу и направление тока, отклоняющего магнитную стрелку.

  

 На рис. 1 показана схема опыта датского ученого X. Эрстеда, впервые обнаружившего в 1820 году действие электрического тока на магнит. В этом опыте магнитная стрелка отклонялась при пропускании тока по прямолинейному проводнику, расположенному над стрелкой. 

Действие проводника с током на магнитную стрелку, находящуюся вблизи этого проводника, определяется не только силой тока (например, как в законе Кулона сила зависит от расстояния), но и от взаимного расположения тока и стрелки. Будет ли действие обратно пропорционально квадрату расстояния? Как оно зависит от силы тока в проводнике, от взаимной ориентации проводника и стрелки?

Рис 1.  Вблизи провода с током (здесь показан только отрезок провода без остальных, подводящих к нему ток проводов) магнитные стрелки ориентируются перпендикулярно к направлению провода.

 Показана окружность, лежащая в плоскости, перпендикулярной проводу. Магнитная стрелка над проводом направлена противоположно стрелке под проводом. Для выбора правильного направления стрелок можно указать направление на окружности, которое определяется правилом буравчика: буравчик крутят так, чтобы он вкручивался в направлении тока I, и тогда движение концов ручки буравчика укажет нужное направление на окружностях. 

Чтобы записать закон взаимодействия магнитной стрелки с магнитным полем, аналогичный закону взаимодействия электрического заряда с электрическим полем F=q E, нужно ввести единицу измерения для “силы намагниченности” магнитных стрелок, но сила будет зависеть также и от размеров, и от формы стрелки. Поэтому в электромагнетизме используют другой элементарный “источник поля”- отрезок провода Δl (векторная величина) и ток I в этом проводе, мысленно пренебрегая силами и полями, связанными с проводами, подводящими ток к нашему элементарному току I Δl.

Магнитное поле в точке пространства M характеризуется вектором B, направленным вдоль магнитной стрелки, (мысленно помещённой в точку M и имеющей возможность свободно поворачиваться вокруг точки M).  А длина вектора B характеризует “силу” магнитного поля в точке M: чем сильнее поле, тем длиннее вектор. В некотором смысле вектор B в такой же степени характеризует магнитное поле, в какой вектор напряжённости E характеризует электрическое поле.

Магнитное поле можно наглядно изобразить с помощью линий магнитного поля. (Их называют также линиями индукции магнитного поля, линиями вектора B или силовыми линиями магнитного поля.) Эти линии строятся для B  так же, как и линии электрического поля для E: касательная к линии  магнитного поля в каждой точке совпадает с направлением вектора B, а густота линий пропорциональна модулю B вектора B в данном месте поля. На рис. 1 показана линия магнитного поля прямого провода. Стрелки на ней указывают направление касательных к ней векторов B. Магнитные стрелки ориентируются вдоль линии магнитного поля, но лишь приближённо, из-за своего большого размера относительно неоднородностей поля.

В начале опыта Эрстеда ток равен нулю и магнитная стрелка направлена вдоль линии магнитного поля Земли.  Приближённо можно считать, что магнитное поле Земли создаётся постоянным магнитом, помещённым внутри земного шара вдоль оси вращения Земли. Северный полюс этого магнита находится в южном полушарии, а южный – в северном, см. рис. 2. Поскольку одноимённые полюсы магнита отталкиваются, а разноимённые притягиваются, то магнитная стрелка в магнитном поле Земли своим северным (синим) концом направлена на Север, а южным (красным) – на Юг. Маленькая (по сравнению с неоднородностями магнитного поля) магнитная стрелка ориентируется вдоль линии магнитного поля.

 Рис. 2. Схематическое изображение линий магнитного поля Земли и расположение в нём магнитных стрелок. На большей части земной поверхности линии магнитного поля Земли практически горизонтальны, а над полюсами – вертикальны. 

После включения тока магнитное поле в окружающем проводник пространстве является суммой магнитного поля Земли и магнитного поля, создаваемого проводником с током. При сильном токе магнитным полем Земли вблизи проводника можно пренебречь.  


Сила Ампера

На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, которая определяется полем в том месте, где расположен проводник, силой тока в проводнике и направлением проводника. Направление силы определяется правилом буравчика. Модель объясняет эту сложную зависимость силы от остальных параметров.

На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила, которая определяется только свойствами поля в том месте, где расположен проводник, и не зависит от вида источников этого магнитного поля.

Рассмотрим небольшой элемент проводника с током длины Δl как вектор Δl, направление которого совпадает с направлением тока в проводнике. Cила

F, действующая на такой элемент со стороны магнитного поля, перпендикулярна к плоскости, в которой лежат вектор Δl и вектор магнитной индукции B, причем вращение по кратчайшему расстоянию от Δl к B связано с направлением силы F правилом буравчика (см. рис. 1).  Векторы Δl и B лежат в плоскости рисунка, вектор F направлен от нас перпендикулярно к плоскости  рисунка).

Рис. 1. Сила F, действующая на проводник с током в магнитном поле с индукцией B.

Согласно закону Ампера модуль F магнитной силы F определяется  формулой

где I – сила тока в проводнике, остальные величины те же, что на рис. 1. Из формулы (1) следует, что в случае, когда проводник расположен вдоль линий поля (α = 0),
сила равна нулю.

В простейшем случае, когда проводник с током и поле взаимно перпендикулярны (α =Π/2), для определения направления магнитной силы можно воспользоваться правилом левой руки: если расположить левую руку так, чтобы направление четырех вытянутых пальцев указывало направление тока, а магнитные линии «входили» в ладонь, то отставленный в сторону большой палец укажет направление силы.

Единицей магнитной индукции в системе СИ является тесла (Тл).

 В однородном магнитном поле с индукцией 1 Тл на 1 м длины перпендикулярного к вектору B прямого провода, по которому течет ток 1 А, действует сила 1 Н:

1Н = 1А·м·1Тл;   отсюда   1Тл = 1Н/(А·м).

Сила тока в металлическом проводнике имеет вид

   I =nevS,

где n – число свободных электронов в единице объема (плотность свободных электронов), e – заряд электрона, v – его скорость, S – площадь поперечного сечения проводника. Подставив это выражение в формулу (1), получим

Произведение nSΔl дает число движущихся зарядов N в элементе Δl проводника. Магнитная сила действует именно на эти заряды, а уже от них передается кристаллической решетке вещества, из которого изготовлен проводник. Поэтому, разделив F на число зарядов N, мы получим магнитную силу, действующую на отдельный заряд e, движущийся со скоростью v

Эта формула справедлива не только для электронов, но и для любого точечного заряда q:


Рис. 2. Сила F, действующая на заряд q, движущийся со скоростью v в магнитном поле с индукцией B.
Направление силы F связано с векторами v и B совершенно аналогично тому, как направление силы F связано с векторами Δl и B на рис. 1. Обратите внимание, что вектор Δl на рис. 1 направлен по току, т. е. в направлении движения положительных зарядов, для отрицательных зарядов направление силы F, определенной по формуле (2), изменится на противоположное.



Взаимодействие проводников с током

 Модель наглядно демонстрирует взаимодействие двух параллельных проводников с токам. Показано магнитное поле, создаваемое этими токами, и силы взаимодействия. Величины и направления токов можно изменять.

  

 Покоящиеся заряды взаимодействуют посредством электрического поля. Это взаимодействие сохраняется и при движении зарядов, но в этом случае возникает еще и магнитное взаимодействие, которое осуществляется магнитным полем, создаваемым движущимися зарядами.  

Магнитное поле порождается движущимися зарядами, т. е. токами. Возникшее поле действует на другие движущиеся заряды и токи. Так возникает взаимодействие токов и движущихся зарядов.  Магнитное поле в данной точке пространства характеризуется векторной величиной B,которую называют магнитной индукцией поля.

Прямой проводник бесконечной длины с током I1 создаёт магнитное поле, модуль индукции которого B на расстоянии r от проводника равна

где  Гн/м -магнитная постоянная, см. рис. 1. Если второй такой же проводник с током I2 помещён на расстоянии r от первого проводника, то сила F, действующая на отрезок длины Δ l второго проводника равна

где r – расстояние между проводниками. Здесь тонким считается проводник, толщина которого много меньше расстояния r между проводами. В случае проводников конечной длины формула (2) справедлива для участков, удаленных от концов проводников на расстояние, значительно большее r.


Рис1.График изменения модуля магнитной индукции внутри и вне прямого длинного провода круглого поперечного сечения радиуса a. Внутри проводника B(r) пропорционально r, r< a. Вне проводника индукция определяется формулой (1), r≥a. На графике условно показано поперечное сечение проводника. Для магнитного поля выполняется принцип суперпозиции: поле, созданное несколькими источниками равно сумме полей, созданных каждым источником (без учёта остальных).
На рис. 2 показан график магнитного поля B(x) двух параллельных и очень длинных проводников с током I.

 

Рис 2. Зависимость индукции магнитного поля двух параллельных проводников от положения точки относительно проводников (от координаты x). Здесь положительное значение B(x) означает, что вектор B(x) направлен вверх, а отрицательное – что вектор B(x) направлен вниз. Одинаково направленные токи притягиваются, а встречные – отталкиваются. Обратите внимание, что проводник с током взаимодействует только с магнитным полем, созданным другим проводником, а его взаимодействие с собственным магнитным полем здесь не рассматривается.  На обоих графиках штриховой линией показано поле, создаваемое только правым проводником, именно оно определяет силу, действующую на левый проводник. а) Токи в одном направлении. Над левым проводником показано, как определяется направление силы F по закону Ампера, все углы между векторами – прямые. б) Токи в противоположных направлениях.


Магнитное поле проводников с током

Модель наглядно демонстрирует магнитные поля, создаваемые прямым проводом и витком провода с током.

 

 

Магнитная индукция B поля бесконечного прямого проводника с током I на расстоянии r от проводника равна 

 

(кратко говорят «магнитная индукция B прямого тока»). Эта формула для магнитной индукции поля годится не только для бесконечных проводников. Практически эта формула (1) применима для вычисления B в точках, расположенных в окрестности середины проводника конечной длины l, для которых расстояние r много меньше длины проводника (r<<l).

 

 

 


Рис.1. Линии магнитного поля прямолинейного проводника с током изображается окружностями с центрами на оси бесконечного прямого проводника с током I являются окружностями с центрами на оси проводника, лежащими в плоскости, перпендикулярной к его оси. Показан вектор магнитной индукции магнитного поля в точке M, находящейся на расстоянии r от провода.
Вблизи провода линии расположены гуще, т. к. поле с увеличением расстояния r убывает по формуле (1).
Вектор B касателен к окружности, а его направление определяется по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик вдоль проводника по направлению тока (синяя стрелка), ось буравчика перемещается по току, то вращение ручки буравчика (красная стрелка) покажет направление магнитного поля.

Разделив соотношение (1) на μ μ0, получим выражение для напряженности H магнитного поля прямого тока. Из этой формулы следует,  что единицей напряженности магнитного поля  является  ампер на метр  (А/м).  С формулой (1) связано определение единицы силы тока ампера, являющейся одной из основных в системе СИ. Ампер равен силе не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, создаёт на каждом участке проводника длины 1 м силу взаимодействия  Н. Так как проводники бесконечной длины и ничтожно малого сечения практически невыполнимы, то в реальных условиях эталон силы тока воспроизводится по измерению силы взаимодействия катушек с током (на так называемых токовых весах), а затем вводятся поправки, учитывающие размеры и форму проводников. Единицей электрического заряда является кулон (Кл) — производная единица. Кулон — электрический заряд, протекающий через поперечное сечение проводника в течение 1 с при силе постоянного тока 1 А.

 


Рис2. Поперечное сечение  кругового проводника с током I. Крестик и точка на сечениях проводника обозначают направление тока I:  крестик – это вид “хвостового оперения” стрелки, обозначающей ток I, а точка – носик (остриё) этой стрелки.  Линии магнитного поля изображается окружностями с центрами на оси бесконечного прямого проводника с током являются замкнутыми линиями, охватывающими провод, и лежат в плоскости, проходящей через ось витка. Ось витка является линией магнитного поля и принято считать, что она замыкается в “бесконечно удалённой точке”. Величина вектора магнитной индукции магнитного поля в точке M пропорциональна “густоте” линий поля, находящейся на расстоянии r от провода. Вблизи провода линии расположены гуще, т. к. поле вблизи провода примерно определяется формулой (1). С увеличением расстояния r от провода индукция магнитного поля убывает. Вектор B касателен к линиям поля, а его направление определяется по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик вдоль ближайшего участка проводника, то вращение ручки буравчика покажет примерное направлене магнитного поля (см. рис. 1). Зависимость вектора индукции B от точки очень сложно, но величина индукции в центре витка даётся простой формулой:



где r – радиус витка (отличается от (1) лишь отсутствием Π в знаменателе).  Вектор B в центре витка показан красным цветом.



Магнитное поле катушки с током

 Модель наглядно демонстрирует магнитное поле катушки (соленоида) с током. Поле показано как вне катушки, так и внутри.

 

 

 В катушке витки навиты на цилиндрическую поверхность вплотную друг к другу, причём равномерно, т. е.  число витков на участке катушки длиной l пропорционально l и коэффициент пропорциональности не зависит от выбора участка катушки. Если длина катушки бесконечна (или её длина значительно больше других размеров или расстояний), то магнитное поле внутри катушки можно считать однородным, а полем вне катушки можно пренебречь. Величина индукции магнитного поля B внутри бесконечно длинной катушки определяется формулой

где w -число витков на участке катушки длиной l. Магнитное поле катушки зависит только от произведения Iω и это значит, что одно и то же поле можно получить, либо при большом токе, но малом числе витков, либо при малом токе, но большом числе витков.


Рис. Поперечное сечение  катушки с током I. Крестик и точка на сечениях проводов обозначают направление тока I: крестик -это вид “хвостового оперения” стрелки, обозначающей ток I, а точка -носик (остриё) этой стрелки. Линии магнитного поля изображается окружностями с центрами на оси бесконечного прямого проводника с током являются замкнутыми линиями, охватывающими провод, и лежат в плоскости, проходящей через ось катушки. Ось катушки является линией магнитного поля и принято считать, что она замыкается в “бесконечно удалённой точке”. В идеальном случае бесконечно длинной катушки все линии магнитного поля являются прямыми и расположены внутри катушки параллельно её оси. Поле внутри катушки однородно (т. е. одинаково во всех точках внутри катушки). Вектор B в точке внутри катушки показан красным цветом. В катушке конечной длины однородность поля нарушается вблизи концов катушки. На концах катушки линии поля выходят из катушки, сильно расходятся, а затем сходятся и заходят внутрь катушки с другой стороны.  Величина вектора магнитной индукции магнитного поля в точке M пропорциональна “густоте” линий поля, находящейся на расстоянии r от провода. Вектор B касателен к линиям поля, а его направление определяется по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик вдоль ближайшего участка витка, то вращение ручки буравчика покажет примерное направлене магнитного поля. Условно показана ручка буравчика и красные стрелки, указывающие направление её вращения, при котором буравчик ввинчивается/вывинчивается в направлении тока. Ось буравчика перпендикулярна плоскости рисунка. Видно, что движение концов ручки согласовано с направлением линий магнитного поля, проходящих вблизи буравчика.


Электромагнитная индукция

 Модель наглядно демонстрирует явление электромагнитной индукции: при изменении магнитного потока через замкнутый проводник, в проводнике возникает электродвижущая сила индукции. Замыкая и размыкая ключ в цепи первой катушки, мы создаем переменное магнитное поле во второй катушке. Ток индукции вызывает отклонение стрелки гальванометра. Число витков второй катушки можно изменять.

Явление электромагнитной индукции состоит в том, что при изменении магнитного потока через замкнутый контур проводника, в проводнике возникает электродвижущая сила (ЭДС) индукции, вызывающая появление электрического тока, который называется индукционным. ЭДС индукции возникает также и в незамкнутом проводнике при его движении в магнитном поле, если проводник пересекает линии магнитного поля.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем в 1831 г. В то время уже существовало мнение, что магнитное поле очень похоже на электрическое. При постановке опытов Фарадей полагал, что если электрический ток создает магнитное поле (опыт Эрстеда), то и обратно, изменяющееся магнитное поле может создавать электрический ток. Опыты Фарадея по электромагнитной индукции показали, что ЭДС индукции возникает в катушке при изменении магнитного потока Φ через катушку, причём независимо от причин, вызывающих это изменение.


а) Изменение магнитного потока в катушке L при перемещении магнита. Катушка L, соединена с  измерительным прибором (миллиамперметром, у которого нейтральное положение стрелки находится в центре шкалы). Если достаточно быстро вдвигать или выдвигать магнит, то стрелка прибора отклоняется. Когда движение магнита прекращается, стрелка прибора не отклоняется (показывает нуль). Тот же результат получается, если надвигать катушку L на неподвижный магнит. б) Изменение магнитного потока в катушке L при включении или выключении тока в близко расположенной катушке L2. Магнитное поле в катушке можно изменять, изменяя ток в расположенной поблизости другой катушке. На катушку L2, включенную в цепь источника тока GB, надета катушка L, соединённая с измерительным прибором (рис. 1 б).
Катушки L и L2могут также иметь общий ферромагнитный сердечник, как в трансформаторе. При изменении силы тока в катушке L2 при замыкании или размыкании выключателя катушка L2 создаёт изменяющееся магнитное поле и в катушке L возникает индукционный ток, направление которого зависит от того, увеличивается или уменьшается сила тока в катушке L2, а также от взаимной ориентации катушек.  Магнитное поле в катушке можно изменять двигая магнит. То же происходит при замыкании и размыкании цепи катушки 2. Такое замыкание и размыкание цепи изменяет силу тока в катушке 2.

Потоком магнитной индукции или, просто, магнитным потокомчерез поверхность S, расположенную в однородном магнитном поле, называется величина

где B – индукция (однородного) магнитного поля, S –  плоская поверхность S, ориентированная так, что нормаль n к поверхности образует с направлением вектора B угол φ (см. рис. 2).


Рис.2. Поток φ магнитной индукции через поверхность S равен  где B – индукция однородного магнитного поля, S –  площадь плоской поверхности S, α – угол между нормалью n к поверхности и вектором B. Если проводить линии магнитного поля с густотой, численно равной B,  то поток Φ через поверхность S будет численно равен числу линий поля, пронизывающих поверхность S.  Единицей магнитного потока является вебер (сокращённо Вб). Из равенства (1) следует, что 1 Вб =1Тл·м².

Если поле неоднородно или поверхность S не плоская, то для вычисления магнитного потока поверхность S разбивают на такие малые элементы ΔSi, что каждый из них можно считать плоским, а поле около каждого из них – однородным. Тогда элементарный поток через элемент поверхности  а полный поток получится суммированием элементарных потоков:


В этой формуле величины Bi и cos(αi) имеют, вообще говоря, различные значения для  различных площадок (т. е. зависят от индексов i), а эта сумма, вообще говоря, зависит от разбиения, но если разбиение очень мелкое, то зависимость Φ от разбиения незначительна. Во многих случаях достататочно вычислить поток приблизительно.

Так, например, вычисляют магнитный поток через катушку равен сумме потоков через каждый виток катушки. Если магнитное поле вдоль катушки не меняется (однородно), то магнитный поток Φ через катушку равен Φ=Φ1w, где Φ1 – магнитный поток через один виток катушки, w – число витков в катушке.  ЭДС индукции в катушке возникает при изменении магнитного потока Φ через катушку.


ЭДС индукции

Электродвижущая сила (ЭДС) индукции в контуре определяется скоростью изменения магнитного потока через этот контур. Модель демонстрирует возникновение ЭДС индукции в катушке, в которую можно с различными скоростями вдвигать постоянный магнит. Можно изменять число витков в катушке. Отклонение стрелки гальванометра позволяет судить о величине и направлении возникающей ЭДС индукции.

Зависимость ЭДС индукции от скорости изменения магнитного потока Электродвижущая сила (ЭДС) индукции ЭДС индукции в катушке возникает при изменении магнитного потока Φ. через катушку. ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока Φ, пронизывающего этот контур:

Знак минус в этой формуле означает, что если ЭДС индукции вызывает индукционный ток, то создаваемое им магнитное поле противодействует изменению магнитного потока Φ т. е. при  ΔΦ/Δt >0 ЭДС индукции E<0, и наоборот (это правило Ленца).

Если магнитного потока Φ через катушку меняется гармонически:

то ЭДС индукции легко вычислить – это производная синуса по t:
Следовательно,  ЭДС индукции

пропорциональна амплитуде Φ0, частоте ω изменения Φ0, причём ЭДС сдвинута по фазе относительно Φ(t) на полупериод, т. е. на Π.

Индукционные токи возбуждаются также в сплошных проводниках при изменении внутри них магнитного поля, например в сердечниках электромагнитов. В этом случае их называют токами Фуко . В хорошо проводящих телах токи Фуко могут достигать большой силы и при этом выделяется большое количество теплоты. Токи Фуко используются, в металлургии, для прогрева металлических частей внутри вакуумных приборов с целью обезгаживания металла и т. д. В электромагнитах и трансформаторах токи Фуко нежелательны, так как они вызывают потери электроэнергии на нагревание сердечников. Для уменьшения токов Фуко сердечники делаются составными из железных полос, вследствие чего уменьшается проводимость сердечника и, следовательно, токи Фуко в нем.


ЭДС самоиндукции

Явление самоиндукции состоит в возникновении ЭДС индукции в проводнике при изменении в нем тока. В модели приводится график силы тока в замкнутой цепи от времени после замыкания цепи. Цепь содержит последовательно соединенные резистор, катушку и батарейку. Параметры цепи (сопротивление резистора, индуктивность катушки м ЭДС батарейки) можно изменять.

Ток I в контуре создаёт магнитное поле, пронизывающее поперечное сечение контура. Поток Φ магнитной индукции B через контур (точнее, его поперечное сечение) Поток Φ магнитного поля, создаваемого током I, пропрционален величине тока I:

      Φ = L I .         (1)

Коэффициент пропорциональности L когда поток Φ вычислен для того же контура, в котором распространяется ток I, называется  индуктивностью контура.  Индуктивность зависит от формы контура, его размеров и среды, окружающей контур, в которой находится проводник (точнее, создаваемое им магнитное поле).
Единицей индуктивности в СИ является генри (Гн). Индуктивностью 1 Гн обладает такой проводник, в котором при скорости изменении тока 1 ампер в секунду (А/с) возникает ЭДС самоиндукции 1 В. Из формулы (1) следует, что

1  Гн = 1 В·с/А  .

Индуктивность 1 Гн – это очень большая индуктивность, поэтому обычно используются доли генри: миллигенри (мГн) и микрогенри (мкГн).

   1 Гн = 10³ мГн

Как и ЭДС индукции, ЭДС самоиндукции равна скорости изменения магнитного потока, т. к. ЭДС индукции не зависит от причин изменения потока Φ. Так как по формуле (1) магнитный поток Φ пропорционален силе тока I, Φ = LI, то ЭДС самоиндукции определяется формулой

где L – индуктивность катушки, знак «-» в этой формуле означает, что ЭДС препятствует изменению тока в цепи (правило Ленца).  Точнее, при уменьшении тока I, а, следовательно, и создаваемого им потока Φ, ток самоиндукции препятствует уменьшению I. При увеличении тока I, а, следовательно, и создаваемого им потока Φ, ток самоиндукции препятствует увеличению I, т. е. направлен против тока I. 

Индуктивность прямого проводника невелика – создаваемое им поле рассеивается в окружающем пространстве. Индуктивность проводника в форме витка больше – поле концентрируется внутри витка. Индуктивность становится значительно больше, если проводник  состоит из n близко расположенных витков. В этом случае индукция магнитного поля в центре витков будет примерно в n раз больше, чем у одного витка, а поток в катушке с n витками будет ещё в n раз больше (складываются потоки через каждый виток) и, следовательно, индуктивность n таких витков будет в раз больше, чем у одного витка.

Так, внутри бесконечно длинной цилиндрической катушки, имеющей w витков на участке длиной l, магнитное поле однородно и величина индукции магнитного поля равна

Поэтому магнитный поток через w витков на участке длиной l равен

где S – площадь поперечного сечения катушки.  Поток Ф пропорционален току I, а коэффициент пропорциональности, индуктивность этого участка катушки, равна

Формулу (3) можно использовать для приближённого вычисления индуктивности цилиндрической катушки конечной длины l, если длина катушки значительно больше её диаметра. Для витков в центральной части катушки всё будет почти также, как и в бесконечной катушке, но на краях такой катушки поле, а значит и поток через витки на краях катушки будет меньше, чем в центре. Следовательно, индуктивность конечной катушки будет меньше, чем вычисленная по формуле (3). Чтобы магнитное поле каждого витка пронизывало все остальные витки катушки, используют сердечник с большой магнитной проницаемостью μ, собирающий и направляющий магнитное поле. Формула (3) объясняет, почему для получения большой индуктивности используют катушки с очень большим числом витков (несколько тысяч) на замкнутых ферромагнитных сердечниках (большое μ).

Краткий конспект подготовки к ЗНО по физике №27 “Введение в магнетизм.

Конспект 27. Введение в магнетизм.
Тема: Магнетизм


1. Введение в магнетизм


Определение. Магнитное поле – вид материи, который создается движущимися зарядами (токами) и проявляется себя действием на движущиеся заряды (токи).
Определение. Магнитная индукция поля  – силовая характеристика точки магнитного поля, показывающая силовое действие поле на заряд, который движется с определенной скоростью.
Силовые линии магнитного поля (линии индукции) – графическая модель магнитного поля, которая позволяет сделать видимым распределение поля в пространстве. Линии индукции – это такие условные линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции поля. Вдоль линий индукции ориентируются оси магнитных стрелок.
Замечание. Для магнитного поля силовые линии выходят из северного полюса магнита (N), а заходят в южный (S), они всегда замкнуты. Линии индукции изображаются так, что плотность их расположения характеризует значение магнитной индукции поля.
Тела, которые проявляют магнитные свойства, в основном делят на постоянные магниты и электромагниты.
Определение. Постоянный магнит – тело (вещество), которое долгое время сохраняет остаточную намагниченность, т.е. само по себе имеет магнитные свойства.

Замечание. Земля по сути является постоянным магнитом.

Основные свойства постоянных магнитов:
1) Одноименные полюса магнитов отталкиваются, а разноименные притягиваются;
2) Сила магнитного взаимодействия больше у краев, т.е. у полюсов магнита. Вблизи середины магнита он, наоборот, практически не взаимодействует;
3) Нельзя создать магнит с одним полюсом. Даже при разделении магнита на две части образуются два полноценных магнита с парой полюсов;
4) При нагревании постоянного магнита до определенной температуры его магнитные свойства исчезают. Такая температура называется точкой Кюри. Для различных веществ она различна, и существуют таблицы, в которых указаны эти температуры для основных веществ.
Определение. Электромагнит – устройство, которое создает магнитное поле при протекании электрического тока.
Замечание. Чем больше сила тока в электромагните, тем он излучает более сильное поле. Наиболее эффективные электромагниты представляют собой катушку с большим количеством витков и ферромагнитным сердечником (соленоид), чем количество витков больше, тем сильнее излучаемое магнитное поле.
В основном графическое изображение поля электромагнитов рассматривают на примере провода и катушки с током:
1) МП прямого проводника с током
Линии МП представляют собой систему концентрических окружностей, опоясывающих провод, причем плотность линий убывает с удалением от проводника.
Правила для определения направления линий индукции:
Правило буравчика (правого винта) – направление вращения буравчика совпадает с направлением линий индукции поля, если он вкручивается по направлению тока.

Правило «правой руки» – мысленно обхватить рукой провод так, чтобы большой палец указывал направление тока в проводнике, тогда четыре согнутых пальца укажут направление линий индукции.

2) МП катушки с током
Направление силовых линий устанавливается правилом «правой руки» (видоизмененным) – руку необходимо мысленно положить на катушку, чтобы четыре согнутых пальца указывали направление тока в витках, тогда отогнутый на 90° большой палец укажет направление выхода линий индукции (северный полюс N катушки).


2. Классификация веществ в магнитном поле

 

Определение. Магнитная проницаемость среды  – величина, характеризующая реакцию вещества на внешнее магнитное поле, т.е. показывающая во сколько раз МП усиливается или ослабляется внутри вещества.  , где  – индукция внешнего МП, B – индукция МП внутри вещества.
В зависимости от μ вещества делятся на:
1) Ферромагнетики (μ≫1) – вещества значительно усиливающие магнитное поле, они сильно втягиваются в МП. При отсутствии внешнего магнитного поля способны продолжительное время сохранять намагниченность.
Примеры: железо, кобальт, никель…
2) Парамагнетики (μ>1) – вещества незначительно усиливающие магнитное поле, они несильно втягиваются в МП. При отсутствии внешнего магнитного поля не способны сохранять намагниченность.
Примеры: алюминий, платина, кислород…
3) Диамагнетики (μ<1) – вещества ослабляющие магнитное поле, они выталкиваются из МП. При отсутствии внешнего магнитного поля не способны сохранять намагниченность.
Примеры: вода, медь, золото, инертные газы…


3. Сила Ампера


Определение. Сила Ампера  – сила, действующая на проводник с током, который находится во внешнем магнитном поле.
 – сила Ампера, Н
Где I – сила тока в проводнике, А
l – длина той части проводника, которая находится в МП, м
α – угол между направлением тока в проводнике и направлением вектора магнитной индукции, рад или град
Определяют направление силы Ампера по правилу «левой руки» – левую руку располагают так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в проводнике, а линии магнитной индукции входили в ладонь, тогда отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы Ампера.
Замечание. Правило используют в таком виде для случая, когда угол .

Замечание. Опыт Ампера о взаимодействии параллельных проводников с током:
– проводники с сонаправленными токами притягиваются;
– проводники с противонаправленными токами отталкиваются.


4. Сила Лоренца


Определение. Сила Лоренца  – сила, действующая на движущуюся во внешнем МП заряженную частицу.
 – сила Лоренца, Н
Где q – заряд частицы, Кл
v – скорость движения частицы, м/с
α – угол между  и , рад или град
Определяют направление силы Лоренца по правилу «левой руки» с учетом знака частицы:
«+» левую руку располагают так, чтобы четыре пальца указывали направление скорости частицы, …
«-» левую руку располагают так, чтобы четыре пальца были направлены против скорости частицы, …
… а линии магнитной индукции входили в ладонь, тогда отогнутый на 90° большой палец укажет направление силы Лоренца.
Замечание. Правило используют в таком виде для случая, когда угол .

Траектории движения заряженной частицы в однородном МП:
– при влете параллельно линиям индукции () – по прямой линии с постоянной скоростью;
– при влете перпендикулярно линиям индукции () – по окружности с постоянной скоростью;
– при влете под другими углами – по винтовой линии с постоянной скоростью.

Магнетизм и электромагнетизм – AP Physics 2

Если вы считаете, что контент, доступный с помощью Веб-сайта (как это определено в наших Условиях обслуживания), нарушает одно или более ваших авторских прав, пожалуйста, сообщите нам, предоставив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному агенту, указанному ниже. Если университетские наставники примут меры в ответ на ан Уведомление о нарушении, он предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, предоставившей такой контент средства самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении может быть направлено стороне, предоставившей контент, или третьим лицам, таким как в виде ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатов), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или деятельность нарушают ваши авторские права. Таким образом, если вы не уверены, что содержимое находится на Веб-сайте или на который ссылается Веб-сайт, нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к адвокату.

Чтобы подать уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись владельца авторских прав или лица, уполномоченного действовать от его имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, как вы утверждаете, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробно, чтобы преподаватели университета могли найти и точно идентифицировать этот контент; например, мы требуем а ссылку на конкретный вопрос (а не только название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; и Заявление от вас: (а) что вы добросовестно полагаете, что использование контента, который, как вы утверждаете, нарушает ваши авторские права не разрешены законом или владельцем авторских прав или его агентом; б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство вы либо владельцем авторских прав, либо лицом, уполномоченным действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему назначенному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

 

Риджентс Физика Магнетизм

«Магнетизм, как вы помните из урока физики, — это мощная сила, которая заставляет определенные предметы притягиваться к холодильникам. — Дэйв Бэрри

Магнетизм тесно связан с электричеством… в сущности, магнетизм – это сила, вызванная движущимися зарядами. В случае постоянных магнитов движущиеся заряды представляют собой орбиты электронов, вращающихся вокруг ядра. Проще говоря, сильные постоянные магниты имеют много атомов с электронами, вращающимися в одном направлении. Немагнитные вещества имеют более случайное расположение спинов электронов вокруг ядра. Для электромагнитов сам ток обеспечивает движущиеся заряды.Во всех случаях магнитные поля можно использовать для описания сил, вызванных магнитами.

Магнитные поля

Магниты поляризованы, то есть каждый магнит имеет два противоположных конца. Мы называем конец магнита, указывающий на географический северный полюс Земли, северным полюсом магнита, а противоположный конец, по очевидным причинам, называем южным полюсом магнита. У каждого магнита есть северный и южный полюса. Нет ни одиночных изолированных магнитных полюсов, ни монополей. Если вы разделите магнит пополам, каждая половина первоначального магнита будет иметь как северный, так и южный полюса, что даст вам два магнита. Физики продолжают поиски как физически, так и теоретически, но на сегодняшний день никто никогда не наблюдал северный полюс без южного полюса или южный полюс без северного полюса.

Мы использовали линии электрического поля, чтобы визуализировать, что произойдет с положительным зарядом, помещенным в электрическое поле. Чтобы визуализировать магнитное поле, мы можем нарисовать линии магнитного поля (также известные как линии магнитного потока), которые показывают направление, в котором будет стремиться северный полюс магнита, если его поместить в поле.Линии магнитного поля рисуются в виде замкнутых петель, начинающихся с северного полюса магнита и продолжающихся до южного полюса магнита. Внутри самого магнита силовые линии проходят от южного полюса к северному. Магнитное поле является самым сильным в областях с наибольшей плотностью силовых линий магнитного поля или в областях с наибольшей плотностью магнитного потока.

Вопрос: На схеме справа показаны линии магнитного сила между двумя северными магнитными полюсами.В какой точке напряженность магнитного поля наибольшая?

Ответ: Напряженность магнитного поля максимальна в областях наиболее плотных линий, поэтому правильный ответ B .

Попробуем еще один пример.

Вопрос: На приведенной ниже диаграмме показаны стержневой магнит массой 0,5 кг и стержневой магнит массой 0,7 кг с расстоянием 0,2 метра между их центрами. Какое утверждение лучше всего описывает силы между стержневыми магнитами?

(1) Гравитационная и магнитная силы отталкивают друг друга.
(2) Гравитационная сила отталкивает, а магнитная притягивает.
(3) Гравитационная сила притягивает, а магнитная отталкивает.
(4) Гравитационная и магнитная силы притягиваются.

Ответ: Поскольку сила гравитации всегда притягивает, мы можем исключить ответы (1) и (2). Так как одинаковые полюса отталкиваются, магнитная сила отталкивающая, поэтому правильный ответ ( 3 ).


Компас

Подобно электрическим зарядам, одинаковые полюса отталкивают друг друга, а противоположные полюса притягивают друг друга.Поскольку Земля воздействует на магниты (которые, когда мы используем их для определения направления, мы называем компасом), мы можем заключить, что Земля является гигантским магнитом. Если северный полюс магнита притягивается к географическому северному полюсу Земли, а противоположные полюса притягиваются, то само собой разумеется, что географический северный полюс Земли на самом деле является магнитным южным полюсом! Компасы всегда совпадают с чистым магнитным полем.

По правде говоря, северный и южный магнитные полюса Земли постоянно перемещаются. Текущая скорость изменения магнитного северного полюса считается более 20 километров в год, и считается, что северный магнитный полюс сместился более чем на 1000 километров с тех пор, как он был впервые достигнут исследователем сэром Джоном Россом в 1831 году!


Электромагнетизм

В 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед обнаружил, что ток, протекающий по проводу, создает магнитное поле, положив начало современным исследованиям электромагнетизма.

Движущиеся электрические заряды создают магнитные поля. Вы можете проверить это, поместив компас рядом с проводом с током. Компас выровняется с индуцированным магнитным полем.


Чтобы определить направление электрически индуцированного магнитного поля, используйте «правило правой руки», указав большим пальцем правой руки в направлении положительного тока. Изгиб ваших пальцев показывает направление магнитного поля вокруг провода.

Не только движущиеся заряды создают магнитные поля, но и относительное движение между проводником и магнитным полем может создавать разность потенциалов в проводнике. Проводник должен пересекать линии магнитного поля, чтобы создать разность потенциалов, а большие разности потенциалов создаются, когда проводник пересекает более сильные магнитные поля или движется быстрее через магнитное поле.

Вопрос: На схеме справа показан провод, движущийся вправо со скоростью v через однородное магнитное поле, направленное на страницу. При увеличении скорости провода индуцированная разность потенциалов составит:

  1. уменьшение
  2. увеличение
  3. остается прежним

Ответ: Наведенная разность потенциалов будет (2) увеличиваться по мере увеличения скорости движения провода.

Это явление позволяет нам создавать пригодную для использования контролируемую электрическую энергию. Кинетическая энергия в виде ветра, воды, пара и т. д. должна вращать катушку провода через магнитное поле, вызывая разность потенциалов, которая передается электрической компанией конечным потребителям. Это основное преобразование энергии лежит в основе гидроэлектростанций, атомных электростанций, электрогенераторов, работающих на ископаемом топливе, и ветряных генераторов!

 

 

Электричество и магнетизм :: Физика

ПИРА: Электричество и магнетизм

Электростатика

5А10.10 – Стержни и мех

5А10.20 – Электрофорус

5A20.10 – Стержни и шарнир

5A20.20 – Пробковый шарик

5A20.30 – Электростатические сферы

5А22.70 – Электрометр

5A40.10 – Индукционная зарядка

5A50.10 – Машина Уилмсхерста

5A50.30 – Генератор Ван де Граафа

Электрические поля и потенциал

5B00.00 – Щиты электрического поля и потенциала

5B10.40 – Линии электрического поля

5В20.00 — Магнитный ускоритель

Емкость

5C30.10 – Лейденская банка

5C30. 30 – Зажгите лампочку

Сопротивление

5D10.40 – Модель сопротивления

5Д10.42 – Реостат

5D40.10 — Лестница Якобса ( ОПАСНОСТЬ : ВЫСОКОЕ НАПРЯЖЕНИЕ)

Электромагнитная сила

5E50.10 – ЭМ счетчики

Цепи постоянного тока

5F10.10 – Закон Ома

5Ф20.50 – Последовательные и параллельные цепи

5F30.10 – Конденсатор и лампочка

Проводимость

5G50.50 – Эффект Мейснера

Магнитные поля и силы

5H00.00 – Баланс магнитного поля

5:20.00 – Компас и доски магнитного поля

5х20.15 – Погружная игла

5ч20.20 – Эффект Эрстеда

5:20.30 – Магнит и железные опилки

5:30.20 — Левитационные магниты

5:35.10 – Катушка Гельмгольца

5х40.10 — Магнит и ТВ

Индуктивность

5J20.10 — Постоянная времени LR в области применения

Электромагнитная индукция

5K10. 20 — Индукционная катушка и магнит

5K20.25 – Вихревые токи

5K20.26 – Катушка отталкивания Фарадея

5K20.40 – прыгающие кольца

5K40.45 – Двигатели со сцепкой

Цепи переменного тока

Полупроводники и лампы

5М20.10 – Газоразрядные трубки

Электромагнитное излучение

5N20.10 – Катушка Тесла/индукционная катушка

5Н20.25 — Плазменный шар

5N30.10 – Проекционный спектр с призмой

Последнее обновление 1 мая 2020 г.

Электричество и магнетизм I: материалы курса | Инициатива в области научного образования

Физика 3310, принципы электричества и магнетизма 1 — это первый семестр нашей двухсеместровой последовательности классического электромагнетизма для младших классов.Он использует инструменты векторного исчисления для решения статических и динамических свойств электромагнитных полей. Темы, которые мы рассмотрим, включают частные случаи распределения статического заряда (электростатика), распределения тока, не зависящего от времени (магнитостатика), а также электрические и магнитные свойства вещества (диэлектрики и магнитные среды).

О трансформации:

Мы трансформировали E&M младшего уровня, используя:

  • Явные цели обучения
  • Интерактивные лекции
  • Преобразованные домашние задания (включая «банк» потенциальных проблем с аппаратным обеспечением)
  • Общие трудности учащихся и групповые занятия в классе
  • Концептуальные тесты (вопросы-кликеры)
  • Интерактивные учебные листы

Эффективность курса исследовалась с помощью следующих оценок:

  • Традиционные экзамены
  • Новая концептуальная оценка, основанная на исследованиях (Оценка электростатики высшего подразделения штата Колорадо, или CUE).

Скачать материалы курса

Контактное лицо: Стивен Поллок,  Steven. [email protected]  если вы хотите получать уведомления об обновлении наших материалов.

Преподаватели и исследователи в области образования могут свободно использовать и адаптировать эти материалы в некоммерческих целях в соответствии с приведенной ниже лицензией Creative Commons. Мы просим вас сотрудничать и не придумывать никаких решений, которые вы можете придумать для домашнего задания (а также экзаменационных задач, вопросов с кликером и т…) доступны в открытом Интернете, из уважения к преподавателям и студентам других учебных заведений, а также для поддержания целостности нашего исследования.

Вы используете эти материалы?

Публикации и плакаты

  • См. все публикации, связанные с этой инициативой.

Прочие ресурсы

Этот материал основан на работе, поддержанной Национальным научным фондом в рамках гранта № 0737118.

Любые мнения, выводы и выводы или рекомендации, выраженные в этом материале, принадлежат автору (авторам) и не обязательно отражают точку зрения Национального научного фонда (NSF).

Journal of Magnetism and Magnetic Materials — Journal

Journal of Magnetism and Magnetic Materials представляет собой важный форум для раскрытия и обсуждения оригинальных материалов, охватывающих весь спектр тем, от основ магнетизма до технологии и применения магнитных материалов. .Журнал поощряет более тесное взаимодействие между основными и прикладными дисциплинами магнетизма с помощью подробных обзорных статей в дополнение к полноценным статьям. Кроме того, приветствуются другие категории вкладов, в том числе критические вопросы, текущие перспективы и работа с широкой общественностью.

Основные категории:
Полнометражные статьи:
Технически оригинальные исследовательские документы, сообщающие о результатах, представляющих ценность для сообществ, составляющих аудиторию журнала.Приветствуется связь между химическими, структурными и микроструктурными свойствами, с одной стороны, и магнитными свойствами, с другой.
В дополнение к общим темам, охватывающим все области магнетизма и магнитных материалов, полноформатные статьи также включают три подраздела, посвященных наномагнетизму, спинтронике и приложениям .
Подраздел Наномагнетизм содержит статьи о магнитных наночастицах, нанопроволоках, тонких пленках, двумерных материалах и других наноразмерных магнитных материалах и их применении.
Подраздел Spintronics содержит статьи о магнитосопротивлении, магнитоимпедансе, магнитооптических явлениях, микроэлектромеханических системах (МЭМС) и других темах, связанных с управлением спиновым током и магнитотранспортными явлениями. В подразделе Applications представлены документы, посвященные применению магнитных материалов. Приложения должны показать связь с магнетизмом.
Обзорные статьи:
Обзорные статьи систематизируют, поясняют и обобщают существующие основные работы в областях, охватываемых журналом, и содержат полные ссылки на весь спектр соответствующей литературы.

Другие категории:
Критические вопросы – состоят из отдельных статей по новым интересующим темам. Статьи в этой категории определяют актуальные проблемы, которые необходимо решить в будущем, чтобы продвинуть новую область магнетизма. Выявляя такие открытые вопросы, они фокусируют внимание сообщества на предстоящих задачах. Таким образом, в отличие от обзорных статей, эта категория будет нацелена больше на будущее и то, что необходимо изучить, а не на то, что было изучено в прошлом.Конечно, статьи включают обзорный аспект, чтобы выявить открытые вопросы и рассмотреть их в перспективе. Статьи не обязательно должны быть длинными, исчерпывающими или всеобъемлющими. В них представлено видение авторов, являющихся признанными экспертами в данной области. Читатели используют эти статьи, чтобы сосредоточиться на будущих начинаниях. Эти статьи также должны помочь генерировать предложения для финансирующих организаций по всему миру.
Текущие перспективы – Текущие перспективы состоит из групп статей по новым интересующим темам. У статей есть приглашенные редакторы, которые формулируют и управляют интеллектуальным объемом проекта. Кластер состоит из авторов, которые представляют свою собственную точку зрения и имеют различные мнения по аспектам темы. Кластер в своей совокупности обеспечивает сбалансированную точку зрения, в то время как каждая отдельная статья может быть дискриминационной. Статьи в кластере имеют статус приглашенных, статьи обычно имеют короткий или средний объем, а списки литературы должны быть адекватными, но не обязательно обширными.Ожидается, что кластеры будут сосредоточены не только на том, что известно, но и на том, какие открытые вопросы необходимо решить в будущем. Статьи должны быть написаны на уровне, который вдохновляет следующее поколение аспирантов. Приглашенные редакторы обычно предоставляют обзорную статью, чтобы тематически связать кластер воедино.
Работа с широкой общественностью – Это статьи общего характера, которые подчеркивают важность магнетизма и стимулируют интерес широкой общественности. Повышенное осознание магнетизма полезно для нашего поля. Экспертам, которые читали публичные лекции, будет предложено представить свои работы, чтобы они могли охватить более широкое сообщество. Это также поможет нашим читателям в их собственном общении с общественностью. Эти статьи не обязательно должны быть длинными, исчерпывающими или всеобъемлющими. Они обеспечивают видение авторов. Доведение до общественности важности магнетизма и магнитных материалов на уровне, который можно понять и оценить, будет общественной услугой.Это также вдохновит новое поколение студентов, окажет положительное влияние на научную политику и укрепит позиции нашего сообщества в глазах финансирующих организаций по всему миру.
Не стесняйтесь оставлять комментарии и комментарии по электронной почте на [email protected].

Преимущества для авторов
Мы также предоставляем множество преимуществ для авторов, таких как бесплатные PDF-файлы, либеральная политика в отношении авторских прав, специальные скидки на публикации Elsevier и многое другое. Щелкните здесь для получения дополнительной информации о наших авторских услугах.Информацию о подаче статей см. в нашем Руководстве для авторов. Если вам нужна дополнительная информация или помощь, посетите наш Центр поддержки.

АУДИТОРИЯ. Физики конденсированных сред, материаловеды, химики, инженеры, биологи и другие междисциплинарные исследователи.

Три слова, которые могут опровергнуть физику: «Что такое магнетизм?»

Когда Плиний Старший впервые увидел магнит, он был совершенно поражен. «Какое явление более удивительно?» он написал позже.«Где природа проявила большую смелость?» В пятом веке святой Августин Гиппопотам согласился, объявив себя «пораженным молнией» при виде магнита, поднимающего несколько металлических колец. Он объявил, что магниты являются доказательством реальности чудес и, следовательно, существования Бога. «Кто не изумится, — дивился Августин, — такому достоинству камня?» Конечно, 4-летний Альберт Эйнштейн был поражен. Когда отец показал ему компас, это стало первой подсказкой для юного Альберта, как он позже писал, что «что-то скрывается за вещами, что-то глубоко спрятано», и он провел свою жизнь, пытаясь найти это.

Что же так поразило этих мужчин? Эти гиганты? Дело в том, что магнит мог перемещать предметы, не касаясь их. В науке этот подвиг известен как «действие на расстоянии», и раньше это производило на людей впечатление. Люди увидят, как магнит двигает кусок металла, или луна, застрявшая на орбите вокруг планеты, или человек в ресторане поднимает в воздух солонку, просто взглянув на нее, и удивляются, как это возможно. В конце концов, как указывал Исаак Ньютон в своих «Началах», представление о том, «что одно тело может действовать на другое на расстоянии через вакуум без посредничества чего-либо еще, посредством чего и посредством чего их действие и сила могут передаваться от одного тела к другому , является для меня настолько большой нелепостью, что я не верю, что ни один человек, обладающий компетентными способностями к философским вопросам, никогда не впадет в нее.

Я тоже. Но может показаться, что такие ребята, как Эйнштейн, Ньютон и я — парни, которые видят, что Вещь А управляет Вещью Б на расстоянии, и удивляются этому, — внезапно теряют позиции на земле. Видите ли, в конце прошлого года, отдыхая со своей семьей в неизвестной сельской местности, я обнаружил, что полулежал у камина с книгой Гордона МакКомба и Эрла Бойсена под названием «Электроника для чайников».

На странице 10 этого тома я прочитал, что электроны отталкиваются друг от друга, не соприкасаясь, точно так же, как два магнита отталкиваются, если вы выровняете их одинаковыми полюсами.В этот момент, поняв, что я, должно быть, либо проспал, либо забыл урок физики в старшей школе, где объяснялось, как магниты управляют этим уникальным умением взаимодействия друг с другом на расстоянии, я отправился на то, что, как я предполагал, должно было занять несколько минут… долгая одиссея, чтобы понять это явление. Семьдесят один день спустя я здесь с удивительными открытиями.

Во-первых, насколько я могу судить, никто не знает, как магнит может перемещать кусок металла, не касаясь его. А для другого — возможно, еще более удивительного — кажется, никого это не волнует.

Эту информацию было нелегко найти. Мой экземпляр «Электроники для чайников» теперь стоит на одной полке с «Математикой классической и квантовой физики» Фредерика Байрона-младшего и Роберта Фуллера. Если доктор в какой-то момент сделает поперечный срез моего мозга, он обнаружит участки рубцов и омертвевших тканей, сувениры того времени, когда я преследовал тайну магнетизма в бесплодных землях 11-мерной теории струн. Изучающие человеческий пафос, возможно, когда-нибудь оценят 16-минутную запись меня со 100-процентной положительной оценкой покупателя eBay, не способную заставить известного физика Стивена Вайнберга, получившего Нобелевскую премию за объединение электромагнетизма с так называемым слабым силу, признаться, что не может объяснить, как магнит прижимает билет из химчистки к дверце холодильника.

Но, насколько я могу судить, — а разве наука не в том, что все ее более важные положения сопровождаются этой благородной оговоркой? — он действительно не может. Если разобраться, тайна магнитов, взаимодействующих друг с другом на расстоянии, объясняется в терминах виртуальных фотонов, невероятно маленьких и беззастенчиво воображаемых частиц, взаимодействующих друг с другом на расстоянии. Насколько я могу судить, эти виртуальные частицы полностью состоят из математики и существуют исключительно для того, чтобы заполнить досадные пробелы в физике, такие как притяжение и отталкивание между магнитами.И, насколько я могу судить, из-за того, что мне неоднократно и довольно снисходительно говорили об этом, желание продолжить рассмотрение этого вопроса является импульсом, который выделяет его страдальца как человека, который очень мало знает о физика, или наука, или стремление к истине вообще.

Другими словами, после 71 дня напряженных исследований я понял, что мне и моим товарищам-чайникам больше не место за обеденным столом науки, если оно вообще когда-либо было. Если мы хотим найти какое-то удовлетворение в этой мрачной юдоли страданий и тайн, нам придется взять дело в свои руки и начать заново, с первых принципов.

В этот день, в этот самый час, начиная с магнитов, удерживающих расписание занятий йогой в спортзале, и заканчивая скрипучей дверью моего грязного холодильника, все начинается.

Свежий расчет магнетизма малоизвестных частиц может омрачить надежды на новую физику | Наука

Говорите о дожде на параде ваших коллег. 7 апреля группа из более чем 200 экспериментаторов с большой помпой объявила, что частица, называемая мюоном, немного более магнитна, чем предсказывает стандартная модель физиков, и это несоответствие может сигнализировать о новых частицах, ожидающих своего открытия.Но в тот же день 14 теоретиков опубликовали статью, в которой говорится, что консенсусное теоретическое предсказание неверно. Их значение находится ближе к экспериментальному результату, и соблазнительное несоответствие почти исчезает.

«Согласно нашим расчетам, стандартная модель просто идеальна», — говорит Золтан Фодор, теоретик из Пенсильванского государственного университета, Юниверсити-Парк и лидер коллаборации Будапешт-Марсель-Вупперталь (BMW), которая подготовила новую теоретическую модель. результат. Однако другие говорят, что еще слишком рано отказываться от предыдущего расчета, который является результатом десятилетий кропотливых усилий. «Мы не можем сразу игнорировать все, что знаем, и переключиться на один новый результат нового метода», — говорит Кристоф Ленер, теоретик из Регенсбургского университета.

Более тяжелый и нестабильный кузен электрона, мюон действует как крошечный стержневой магнит, а его магнетизм позволяет выискивать следы новых частиц. Квантовая механика и теория относительности требуют, чтобы мюон обладал определенным основным магнетизмом. Благодаря квантовой неопределенности частицы и античастицы также постоянно появляются и исчезают вокруг мюона.Эти «виртуальные» частицы нельзя наблюдать напрямую, но они могут влиять на свойства мюона, включая магнетизм. Частицы стандартной модели должны увеличить свой магнетизм примерно на 0,1%, а пока еще неизвестные частицы добавят свой собственный импульс. Такие частицы когда-нибудь могут быть взорваны атомным ускорителем.

Вот почему физики были так взволнованы, когда эксперимент Muon g-2 в Национальной ускорительной лаборатории Ферми подтвердил намек 20-летней давности о том, что магнитность мюона примерно на 2,5 части на миллиард больше, чем предсказывает стандартная модель, согласно консенсусному значению. , разработанная в прошлом году Инициативой теории Muon g-2, состоящей из 132 участников.

Чтобы сделать это предсказание, теоретики должны были учесть тысячи способов, которыми частицы стандартной модели могут порхать вокруг мюона и влиять на его поведение. Одно семейство процессов, известное как адронная поляризация вакуума, особенно сложно и ограничивает точность всего расчета. В нем мюон испускает и повторно поглощает частицы, известные как адроны, которые состоят из других частиц, называемых кварками. Теория кварков и сильного ядерного взаимодействия, которое их связывает, квантовая хромодинамика (КХД), настолько громоздка, что теоретики не могут вычислить эффекты с помощью обычного ряда все более мелких приближений.Вместо этого им приходится полагаться на данные ускорителей, создающих адроны путем столкновения электронов и позитронов.

Не обращайте внимания на пробел?

Если новое значение «решетки» для магнетизма мюона верно, таинственный разрыв между другими предсказаниями и недавними измерениями практически исчезнет. ДАННЫЕ: ABI ET AL., PHYS. РЕВ. ПУСТЬ. , 2021; BORSANYI ET AL., NATURE DOI: 10.1038/S41586-021-03418-1; BLUM ET AL., PHYS.РЕВ. ПУСТЬ. , 121, 2018; AOYAMA ET AL., PHYSICS REPORTS , 2020

Однако есть и другой способ. Теоретики могут попытаться вычислить КХД методом грубой силы на суперкомпьютерах, если они смоделируют континуум пространства и времени как решетку дискретных точек, занятых кварками и частицами, называемыми глюонами, которые передают сильное взаимодействие. Двенадцать лет назад теоретики показали, что с помощью этого метода «решеточной КХД» можно вычислить массы протона и нейтрона, которые являются адронами. Несколько групп также применили решетку к магнетизму мюона, хотя и со значительной неопределенностью.

Теперь, используя сотни миллионов процессоро-часов в Исследовательском центре Юлиха в Германии, группа Фодора произвела расчет решетки адронной поляризации вакуума и значение магнетизма мюона, которое конкурирует по точности со значением согласованной стандартной модели. И новый результат всего на одну часть на миллиард ниже экспериментального значения, сообщила команда в Nature. По словам Фодора, учитывая неопределенность, это слишком близко, чтобы заявлять о несоответствии.

Он также поднимает вопросы о значении консенсуса.По словам Фодора, ключевые данные зависят в основном от результатов двух коллайдеров, и эти два набора данных в тревожной степени расходятся. Результат его команды свободен от таких неопределенностей. «Это единственное вычисление на рынке, поэтому некоторым людям неудобно», — говорит он.

Тем не менее, некоторые теоретики говорят, что еще слишком рано придавать такое большое значение расчету одной решетки. Аида Эль-Хадра, теоретик решетки из Университета Иллинойса, Урбана-Шампейн, и вместе с Ленером, соруководитель и руководитель Инициативы по теории мюона g-2, отмечает, что неопределенность в значении консенсуса отражает в основном ограниченная точность входных данных.Напротив, погрешности в значении решетки отражают надежность самого метода, и их сложнее количественно и интерпретировать, говорит Эль-Хадра.

Оставить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.