Элементарный учебник физики Т2
Элементарный учебник физики Т2
ОглавлениеИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮГлава I. Электрические заряды § 1. Электрическое взаимодействие. § 2. Проводники и диэлектрики. § 3. Разделение тел на проводники и диэлектрики § 4. Положительные и отрицательные заряды § 5. Что происходит при электризации? § 6. Электронная теория. § 7. Электризация трением. § 8. Электризация через влияние. § 9. Электризация под действием света. § 10. Закон Кулона. § 11. Единица заряда. Глава II. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ § 12. Действие электрического заряда на окружающие тела. § 13. Понятие об электрическом поле. § 14. Напряженность электрического поля. § 16. Электрическое поле в диэлектриках и в проводниках. § 17. Графическое изображение полей. § 18. Основные особенности электрических карт. § 19. Применение метода линий поля к задачам электростатики. § 20. Работа при перемещении заряда в электрическом поле.  § 21. Разность потенциалов (электрическое напряжение). § 22. Эквипотенциальные поверхности. § 23. В чем смысл введения разности потенциалов? § 24. Условия равновесия зарядов в проводниках. § 25. Электрометр. § 26. В чем различие между электрометром и электроскопом? § 27. Соединение с Землей. § 29. Электрическое поле Земли. § 30. Простейшие электрические поля. § 31. Распределение зарядов в проводнике. Клетка Фарадея. § 32. Поверхностная плотность заряда. § 33. Конденсаторы. § 34. Различные типы конденсаторов. § 35. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов. § 36. Диэлектрическая проницаемость. § 37. Почему электрическое поле ослабляется внутри диэлектрика? § 38. Энергия заряженных тел. Энергия электрического поля. Глава III. ПОСТОЯННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК § 39. Электрический ток и электродвижущая сила. § 40. Признаки электрического тока.  § 41. Направление тока. § 42. Сила тока. § 43. «Скорость электрического тока» и скорость движения носителей заряда. § 44. Гальванометр. § 45. Распределение напряжения в проводнике с током. § 46. Закон Ома. § 47. Сопротивление проводов. § 48. Зависимость сопротивления от температуры. § 49. Сверхпроводимость. § 50. Последовательное и параллельное соединение проводников. § 51. Реостаты. § 52. Распределение напряжения в цепи. § 53. Вольтметр. § 54. Каким должно быть сопротивление вольтметра и амперметра? § 55. Шунтирование измерительных приборов. § 56. Нагревание током. Закон Джоуля-Ленца. § 57. Работа, совершаемая электрическим током. § 58. Мощность электрического тока. § 59. Контактная сварка. § 60. Электрические нагревательные приборы. Электрические печи. § 61. Понятие о расчете нагревательных приборов. § 62. Лампы накаливания. § 63. Короткое замыкание. § 64.  Электрическая проводка.Глава V. ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ЧЕРЕЗ ЭЛЕКТРОЛИТЫ § 66. Второй закон Фарадея. § 67. Ионная проводимость электролитов. § 68. Движение ионов в электролитах. § 69. Элементарный электрический заряд. § 70. Первичные и вторичные процессы при электролизе. § 71. Электролитическая диссоциация. § 72. Градуировка амперметров при помощи электролиза. § 73. Технические применения электролиза. Глава VI. ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕПЛОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ТОКА § 74. Введение. Открытие Вольты. § 75. Правило Вольты. Гальванический элемент. § 76. Как возникают э. д. с. и ток в гальваническом элементе? § 77. Поляризация электродов. § 78. Деполяризация в гальванических элементах. § 79. Аккумуляторы. § 80. Закон Ома для замкнутой цепи. § 82. Соединение источников тока. § 83. Термоэлементы. § 84. Термоэлементы в качестве генераторов.  § 85. Измерение температуры с помощью термоэлементов. Глава VII. ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ЧЕРЕЗ МЕТАЛЛЫ § 86. Электронная проводимость металлов. § 87. Строение металлов. § 88. Причина электрического сопротивления. § 89. Работа выхода. § 90. Испускание электронов накаленными телами. Глава VIII. ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ЧЕРЕЗ ГАЗЫ § 91. Самостоятельная и несамостоятельная проводимость газов. § 93. Искровой разряд. § 94. Молния. § 95. Коронный разряд. § 96. Применения коронного разряда. § 97. Громоотвод. § 98. Электрическая дуга. § 99. Применения дугового разряда. § 100. Тлеющий разряд. § 101. Что происходит при тлеющем разряде? § 102. Катодные лучи. § 103. Природа катодных лучей. § 104. Каналовые лучи. § 105. Электронная проводимость в высоком вакууме. § 106. Электронные лампы. § 107. Электроннолучевая трубка. Глава IX. ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА ЧЕРЕЗ ПОЛУПРОВОДНИКИ § 108.  § 109. Движение электронов в полупроводниках. § 110. Полупроводниковые выпрямители. § 111. Полупроводниковые фотоэлементы. Глава X. ОСНОВНЫЕ МАГНИТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ § 112. Естественные и искусственные магниты. § 113. Полюсы магнита и его нейтральная зона. § 114. Магнитное действие электрического тока. § 115. Магнитные действия токов и постоянных магнитов. § 116. Происхождение магнитного поля постоянных магнитов. § 117. Гипотеза Ампера об элементарных электрических токах. Глава XI. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ § 118. Магнитное поле и его проявления. Магнитная индукция. § 120. Измерение магнитной индукции поля с помощью магнитной стрелки. § 121. Сложение магнитных полей. § 122. Линии магнитного поля. § 123. Приборы для измерения магнитной индукции. Глава XII. МАГНИТНЫЕ ПОЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ТОКОВ § 124. Магнитное поле прямолинейного проводника и кругового витка с током.  § 125. Магнитное поле соленоида. Эквивалентность соленоида и полосового магнита. § 126. Магнитное поле внутри соленоида. Напряженность магнитного поля. § 127. Магнитное поле движущихся зарядов. Глава XIII. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ § 129. Элементы земного магнетизма. § 130. Магнитные аномалии и магнитная разведка полезных ископаемых. § 131. Изменение элементов земного магнетизма с течением времени. Магнитные бури. Глава XIV. СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ НА ПРОВОДНИКИ С ТОКОМ § 132. Введение. § 133. Действие магнитного поля на прямолинейный проводник с током. Правило левой руки. § 134. Действие магнитного поля на виток или соленоид с током. § 135. Гальванометр, основанный на взаимодействии магнитного поля и тока. § 136. Сила Лоренца. § 137. Сила Лоренца и полярные сияния. Глава XV. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ § 138. Условия возникновения индукционного тока.  Правило Ленца.§ 140. Основной закон электромагнитной индукции. § 141. Электродвижущая сила индукции. § 142. Электромагнитная индукция и сила Лоренца. § 143. Индукционные токи в массивных проводниках. Токи Фуко. Глава XVI. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТЕЛ § 144. Магнитная проницаемость железа. § 145. Магнитная проницаемость различных веществ. Вещества парамагнитные и диамагнитные. § 146. Движение парамагнитных и диамагнитных тел в магнитном поле. Опыты Фарадея. § 147. Молекулярная теория магнетизма. § 149. Особенности ферромагнитных тел. § 150. Основы теории ферромагнетизма. Глава XVII. ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК § 151. Постоянная и переменная электродвижущая сила. § 152. Опытное исследование формы переменного тока. Осциллограф. § 153. Амплитуда, частота и фаза синусоидального переменного тока и напряжения. § 154. Сила переменного тока. § 155. Амперметры и вольтметры переменного тока. § 156. Самоиндукция. § 157.  Индуктивность катушки.§ 158. Прохождение переменного тока через конденсатор и катушку с большой индуктивностью. § 159. Закон Ома для переменного тока. Емкостное и индуктивное сопротивления. § 160. Сложение токов при параллельном включении сопротивлений в цепь переменного тока. § 161. Сложение напряжений при последовательном соединении сопротивлений в цепи переменного тока. § 162. Сдвиг фаз между током и напряжением. § 163. Мощность переменного тока. § 164. Трансформаторы. § 165. Централизованное производство и распределение электрической энергии. § 166. Выпрямление переменного тока. Глава XVIII. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МАШИНЫ: ГЕНЕРАТОРЫ, ДВИГАТЕЛИ, ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ § 167. Генераторы переменного тока. § 168. Генераторы постоянного тока. § 169. Генераторы с независимым возбуждением и с самовозбуждением. § 170. Трехфазный ток. § 171. Трехфазный электродвигатель. § 172. Электродвигатели постоянного тока. § 173. Основные рабочие характеристики и особенности двигателей постоянного тока с параллельным и последовательным возбуждением.  § 174. Коэффициент полезного действия генератора и двигателя. § 175. Обратимость электрических генераторов постоянного тока. § 176. Электромагниты. § 177. Применение электромагнитов. § 178. Реле и их применения в технике и автоматике. Ответы и решения к упражнениям Приложения Предметный указатель Таблицы |
подробные объяснения и проблемы –
By Кирти Мурти
Весь магнитный материал обладает магнитным полем, которое излучает невидимые линии между двумя его полюсами, называемые силовыми линиями магнитного поля.
Земля рассматривается как гигантский стержневой магнит, который излучает силовые линии магнитного поля между южным и северным полюсами. Обычно говорят, что магнитное поле Земли начинается глубоко в ядре Земли. Этот пост посвящен объяснению происхождения и поведения силовых линий магнитного поля Земли.
Прежде чем узнать о силовых линиях магнитного поля Земли, мы должны знать концепцию магнитного поля Земли.
Земля имеет свое магнитное поле, также известное как геомагнитное поле, которое действует так же, как магнитные поля магнитного материала. Магнитное поле Земли возникло из внутреннего ядра Земли и распространилось за пределы космоса.
Изображение кредита: Pixabay
Мы знаем, что наша Земля считается магнитом, в котором есть магнитные поля. Магнитное поле создает воображаемую силовую линию вокруг поля.
Силовые линии магнитного поля Земли — это воображаемые силовые линии магнитного поля, исходящие из южной половины Земли и вновь входящие в Землю в северной половине. Магнитное поле Земли создает силовые линии на поверхности земли.
Внешнее ядро Земли содержит расплавленное железо и никель. Смесь этих расплавленных железа и никеля производит электрический ток; это связано с тем, что смесь имеет тенденцию генерировать тепло, которое пытается выйти из ядра, создавая ток, называемый конвекционным током.
Таким образом, движение конвекционного тока Земли создает магнитное поле во внешнем ядре. Это магнитное поле состоит из воображаемых линий, которые выходят из ядра и, путешествуя в пространстве, снова входят в ядро Земли, называемые силовыми линиями магнитного поля Земли.
- Линии магнитного поля Земли никогда не пересекаются друг с другом, путешествуя между двумя полюсами Земли.
- Силовые линии магнитного поля Земли могут задерживать заряженные частицы; таким образом формируется земная магнитосфера.
- В отличие от стержневых магнитов силовые линии магнитного поля Земли асимметричны относительно магнитной оси.
- Линии магнитного поля Земли создают петлю в центре Земли.
Поскольку магнитное поле Земли обусловлено конвективным током, направление силовых линий магнитного поля Земли зависит от направления обычного тока.
Движение конвекционного потока всегда вертикально вверх.
Линии магнитного поля Земли связаны с ориентацией полюсов, а не с географическим направлением; таким образом, силовые линии магнитного поля Земли направлены вверх. Линии поля входят в южный полюс из ядра и выходят на северном полюсе.
Направление силовых линий магнитного поля ЗемлиИзображение кредита: Wikimedia Commons
Направление линий магнитного поля Земли противоположно линиям поля обычного стержневого магнита, как у стержневых магнитов; силовые линии всегда проходят с севера на юг. Это потому, что географический северный полюс на самом деле является южным полюсом земли, а географический южный полюс — это северный полюс земли. Причиной этого является регулярное магнитное свойство.
Поскольку мы рассматриваем землю как большой магнит, стержневые магниты находятся под влиянием магнитного поля Земли. Южный полюс Земли притягивает север обычных стержневых магнитов и наоборот.
Таким образом, линии магнитного поля направления Земли противоположны имеющимся магнитам.
Силовые линии магнитного поля пересекаются на поверхности земли. Угол наклона силовых линий магнитного поля колеблется в пределах 0-90°. На экваторе угол наклона силовых линий магнитного поля равен 0°. На северном полюсе наклонение составляет +90°, то есть вертикально вниз, а в южном полушарии оно составляет -90°, то есть вертикально вверх. Угол наклона силовых линий магнитного поля Земли меняется в зависимости от широты.
Где линии магнитного поля Земли наиболее сильны?Место, в котором силовые линии магнитного поля Земли будут сильными, зависит от плотности силовых линий магнитного поля. Обычно плотность магнитного поля в любой точке соответствует магнитному полю в этой точке.
На обоих полюсах Земли, т. е. на северном и южном полюсах, сила магнитных полей велика. Напряженность поля начинает уменьшаться по мере удаления полей от полюсов и вблизи экватора.
Таким образом, на полюсах Земли плотность силовых линий магнитного поля Земли больше, и, следовательно, она наиболее сильна.
Причина сильнейшего магнитное поле линии на полюсах и есть магнитный поток. Магнитный поток определяет, насколько плотно силовые линии магнитного поля упакованы вместе. Поток распространяется в пространстве от земной поверхности. Таким образом, мы получаем максимальные силовые линии, входящие и выходящие из земного ядра на полюсах. Следовательно, силовые линии магнитного поля Земли наиболее сильны на полюсах.
Часто задаваемые вопросыПочему у Земли есть силовые линии магнитного поля?Наша Земля содержит много полезных ископаемых в своем ядре. Среди них железо и никель наделены силовыми линиями магнитного поля Земли.
Затвердевание жидкого железа и никеля в ядре Земли отвечает за магнитное поле Земли. Когда ядро из железа и никеля охлаждается и кристаллизуется, оно вращается вокруг жидкого ядра, создавая электрический ток, называемый конвекционным током.
Этот конвекционный ток генерирует магнитное поле, которое исходит из земного ядра из космоса. Воображаемые силовые линии, возникающие в магнитном поле Земли, называются силовыми линиями магнитного поля Земли.
Магнитное поле Земли действует как щит для нашей планеты. Если магнитное поле Земли исчезнет, магнитосферы не будет.
- Без магнитного поля на нашу Землю попадало бы больше космических лучей и солнечной радиации, что могло бы оказать серьезное воздействие на живые существа Земли.
- Произойдет сбой в работе электросетей, что приведет к повреждению системы спутниковой связи.
- Истощение озонового слоя увеличивается и, таким образом, увеличивается активность полярных сияний на Земле.
- Заряженные частицы с земли могут легко проникнуть в землю и, следовательно, столкнуться с верхними слоями атмосферы, что вызывает ионизацию частиц с образованием изотопов углерода-14 и, таким образом, увеличивает уровень заболеваемости раком.
- Потеря магнитного поля приводит к прекращению жизни на Земле.
Силовые линии магнитного поля ответственны за большую часть среды обитания на Земле. Силовые линии магнитного поля Земли обладают многочисленными преимуществами; некоторые из них перечислены ниже.
- Линии магнитного поля Земли создают магнитосферу Земли. Используя направление линий поля, могут перемещаться птицы, насекомые и животные.
- Магнитосфера защищает Землю от вредных излучений, таких как солнечная радиация, солнечный ветер и космические лучи.
- Магнитное поле защищает озоновый слой от разрушения хлорированными радикалами из космоса.
- Магнитное поле отклоняет наиболее заряженные частицы из космоса, попадая на Землю.
- Силовые линии магнитного поля Земли являются одной из причин вращения Луны вокруг Земли.
Не совсем; магнитное поле Земли не влияет на человека напрямую. Иногда на нас влияют магнитные бури.
Магнитные поля необходимы для жизни на Земле. Будет незначительное воздействие магнитных полей Земли. Этот эффект испытывают летчики-высотники и космонавты. Они испытывают изменение магнитного поля, вызывающее магнитную бурю, и опасность радиации.
Magnetic Fields — Physics Video by Brightstorm
Магнитные поля — это векторные поля, связанные с магнитными силами. Магнитные поля генерируются твердыми ферромагнетиками. В отличие от электрических полей, магнитные поля всегда образуют замкнутые петли и никогда не создаются и не разрушаются. Хотя силовые линии магнитного поля выходят из северных полюсов и заканчиваются на южных полюсах, внутри магнита они образуют замкнутый контур. Чем ближе друг к другу линии поля, тем сильнее поле.
Когда противоположные концы двух магнитов взаимодействуют, их силовые линии соединяют северный полюс одного с южным полюсом другого, и они притягиваются. Когда одни и те же концы двух магнитов взаимодействуют, они отталкиваются, потому что линии не могут пересекаться и сжимаются друг другом.
магнитные поля
Итак, давайте поговорим о магнитных полях, что такое магнитное поле? Что ж, магнитное поле — это векторное поле, что делает такую концепцию Мати, которая в основном просто говорит, что у вас есть вектор в каждой точке, и это векторное поле связано с силами, такими же, как электрическое поле. Помните, что электрическое поле всегда указывает в том направлении, куда указывала бы сила, действующая на положительный заряд, если бы вы куда-то поместили этот положительный заряд.
Магнитные поля немного отличаются, они немного сложнее в том, что касается их отношения к фактической силе, но вы все равно можете думать о магнитных полях как о связанных с силой, они не направлены в одном направлении, но они связаны с силой.
Хорошо магнитные поля создаются постоянными магнитами, которые также называют твердыми ферромагнитными материалами. Слово Ferro похоже на слово ferrous, которое связано с железом, поэтому магниты Ferro связаны с железом, хотя железо само по себе не является твердым ферромагнетиком, вы не можете сделать магнит только из железа, по крайней мере, не при обычных температурах, но есть другие твердые ферромагнитные материалы, которые генерируют магнитные поля.
Итак, магнитные материалы имеют два полюса. Это что-то вроде электрических зарядов, но это не одно и то же, поэтому линии электрического поля выходят из положительных зарядов и заканчиваются на отрицательных, линии магнитного поля выходят из северных полюсов и входят в южные полюса. Тем не менее, очень, очень, очень важное различие, вероятно, самое важное различие между магнитными полями и электрическими полями, электрические поля создаются при положительном заряде и разрушаются при отрицательном заряде, с магнитными полями дело обстоит иначе, магнитные поля никогда не возникают или не возникают.
останавливайтесь где угодно, они всегда создают замкнутые контуры, всегда, всегда, всегда, поэтому давайте посмотрим, что это означает на диаграмме магнитных полей, связанной с простым постоянным магнитом. Итак, у нас есть наш северный полюс, у нас есть наш южный полюс, у нас есть линии магнитного поля, исходящие из северного полюса, так что они выходят, а затем они входят в южный полюс, отлично, так что теперь как я соединяю эти линии? Что ж, эти линии северного полюса будут совпадать, и, как и в случае с электрическими полями, они будут распространяться, когда для этого есть место, и когда они находятся близко друг к другу, что представляет собой более сильное магнитное поле, так что у нас это происходит. вот так, и у нас это происходит вот так, так что это наше магнитное поле. Обратите внимание, что магнитное поле сильнее всего на полюсах, а здесь, внизу, оно не такое сильное. Но что теперь происходит внутри магнита? Вот где разница между электрическими полями и магнитными полями. Внутри магнита магнитные поля продолжаются на всем протяжении, точно так же, как это, так что в некотором смысле постоянный магнит как бы сжимает вместе все силовые линии магнитного поля, они выглядят далеко друг от друга снаружи магнита, но внутри магнита они как бы сжимаются.
все было сплющено вместе, так что именно здесь магнитное поле будет самым сильным, и это будет связано с чем-то, называемым проницаемостью магнита, потому что это то, насколько хорошо магнитное поле может проникать в этот твердый ферромагнитный материал.
Хорошо, а теперь давайте посмотрим, что сделают силовые линии магнитного поля, если мы возьмем два магнита и поместим их рядом друг с другом. Итак, давайте сначала рассмотрим это, итак, у нас есть северный полюс, что означает, что у нас есть исходящие линии поля, у нас есть линии поля на южном полюсе, которые входят, ну, боже, это легко, мы идем, верно? Значит, так и будет, хорошо? А здесь? Линии поля северного полюса выходят, здесь входят линии поля южного полюса, так что мы снова соединимся, вот так, вот так. Теперь обратите внимание, что если я сдвину это ближе друг к другу, эти силовые линии станут красивыми и сильными, и на самом деле это похоже на то, что происходит внутри магнита, так что это представляет собой притяжение северный полюс магнита притягивает южный полюс другого магнита, и если я положу их вместе они просто становятся одним большим магнитом, верно? Я попытаюсь разъединить их, и им это не нравится, поэтому эти силовые линии начнут становиться все больше и больше и больше, пока они все просто не соединятся здесь, и два магнита просто не разделятся.
Хорошо, а что будет, если я возьму два одинаковых шеста и поставлю их рядом? Хорошо, давайте посмотрим сюда, так что теперь у нас есть северный полюс, северный полюс, снова наружу, наружу, наружу, теперь какая разница? Вы знаете, это точно так же, как я делал раньше, проблема в том, что теперь я не могу их соединить, потому что эти ребята все уходят, поэтому эти собираются появиться и так, эти появятся и так далее . Теперь, как и все силовые линии, они не могут пересекаться, потому что магнитное поле, которое должно быть в каждом отдельном месте, должно быть в определенном направлении, вы не можете знать, что оно шизофренично, как это, часть его указывает туда, а часть нет, все в порядке. не пересекаться, так что эти линии поля не могут пересекаться, и это вызывает много проблем с этим, потому что они вроде как вынуждены двигаться вот так и вот так и вниз вот так и вниз вот так, а затем эти парни делают то же самое, так что здесь вы можете видеть, что эта ситуация усугубляется, если я пытаюсь сдвинуть два северных полюса ближе друг к другу, потому что этим силовым линиям не разрешается пересекаться, и они просто толкают друг друга, это создает то, что мы можем назвать магнитным давление поля и что происходит, когда у вас есть два одинаковых полюса, и вы пытаетесь столкнуть их вместе, вы чувствуете это давление магнитного поля, которое хочет раздвинуть их, им нужно место, чтобы существовать сами по себе, и если вы попытаетесь их тоже столкнуть закрыто Вместе у них нет этой комнаты, поэтому они будут жаловаться, так что это магнитные поля.
8.2 Магнитные поля и линии – введение в электричество, магнетизм и электрические цепи
ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ
К концу этого раздела вы сможете:
- Определение магнитного поля на основе движущегося заряда, на который действует сила
- Применение правила правой руки для определения направления магнитной силы на основе движения заряда в магнитном поле
- Нарисуйте линии магнитного поля, чтобы понять, куда направлено магнитное поле и насколько оно сильно в области пространства
Мы описали свойства магнитов, описали их поведение и перечислили некоторые применения магнитных свойств. Несмотря на то, что не существует таких вещей, как изолированные магнитные заряды, мы все же можем определить притяжение и отталкивание магнитов как основанные на поле. В этом разделе мы определяем магнитное поле, определяем его направление на основе правила правой руки и обсуждаем, как рисовать силовые линии магнитного поля.
Определение магнитного поля
Магнитное поле определяется силой, которую испытывает заряженная частица, движущаяся в этом поле, после того, как мы учтем гравитационные и любые дополнительные электрические силы, воздействующие на заряд.
Величина этой силы пропорциональна количеству заряда, скорости заряженной частицы и величине приложенного магнитного поля. Направление этой силы перпендикулярно как направлению движущейся заряженной частицы, так и направлению приложенного магнитного поля. Основываясь на этих наблюдениях, мы определяем напряженность магнитного поля на основе магнитная сила на заряд, движущийся со скоростью , как векторное произведение скорости и магнитного поля, то есть
(8.2.1)
Фактически, именно так мы определяем магнитное поле — в терминах силы, действующей на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Величина силы определяется из определения перекрестного произведения, поскольку оно связано с величинами каждого из векторов. Другими словами, величина силы удовлетворяет
(8.2.2)
, где – угол между скоростью и магнитным полем.
Единица СИ для напряженности магнитного поля называется тесла () в честь эксцентричного, но гениального изобретателя Николы Теслы (1856–1943), где
(8.
2.3)
Меньшая единица, называемая гаусс (), где иногда используется , . Самые сильные постоянные магниты имеют поля около ; сверхпроводящие электромагниты могут достигать или более. Магнитное поле Земли на ее поверхности составляет всего около или .
Стратегия решения задач: направление магнитного поля по правилу правой руки -1), что показано на Рисунке 8.2.1.
- Расположите правую руку так, чтобы пальцы согнулись в плоскости, определяемой векторами скорости и магнитного поля.
- Правой рукой проведите пальцами от скорости к магнитному полю под наименьшим возможным углом.
- Магнитная сила направлена туда, куда указывает большой палец.
- Если заряд был отрицательным, измените направление, найденное этими шагами.
(рис. 8.2.1)
Рисунок 8.2.1 Магнитные поля воздействуют на движущиеся заряды. Направление магнитной силы на движущийся заряд перпендикулярно плоскости, образованной и, и соответствует правилу правой руки-1 (RHR-1), как показано на рисунке.
Величина силы пропорциональна , , и синусу угла между и .ИНТЕРАКТИВНЫЙ
Посетите этот веб-сайт для дополнительной практики с направлением магнитных полей.
На статические заряды не действует магнитная сила. Однако на заряды, движущиеся под углом к магнитному полю, действует магнитная сила. Когда заряды неподвижны, их электрические поля не действуют на магниты. Однако когда заряды движутся, они создают магнитные поля, которые воздействуют на другие магниты. При относительном движении возникает связь между электрическими и магнитными силами — одно влияет на другое.
ПРИМЕР 8.2.1
Альфа-частица, движущаяся в магнитном поле
Альфа-частица движется через однородное магнитное поле, величина которого равна . Поле прямо параллельно положительной оси прямоугольной системы координат на рисунке 8.2.2. Какова магнитная сила, действующая на альфа-частицу, когда она движется (а) в положительном -направлении со скоростью (б) в отрицательном -направлении со скоростью ? в) в положительном направлении со скоростью ? г) со скоростью ?
(рис.
8.2.2)
Стратегия
Нам дан заряд, его скорость, напряженность и направление магнитного поля. Таким образом, мы можем использовать уравнение или для расчета силы. Направление силы определяется РПЧ-1.
Решение
а. Во-первых, чтобы определить направление, начните с пальцев, указывающих в положительном направлении. Проведите пальцами вверх в направлении магнитного поля. Ваш большой палец должен указывать в отрицательном направлении. Это должно соответствовать математическому ответу. Чтобы вычислить силу, мы используем данные заряда, скорости и магнитного поля, а также определение магнитной силы в форме перекрестного произведения, чтобы вычислить:
б. Во-первых, чтобы определить направление, начните с пальцев, указывающих в отрицательном направлении. Проведите пальцами вверх в направлении магнитного поля, как в предыдущей задаче.
Ваш большой палец должен быть открыт в отрицательном направлении. Это должно соответствовать математическому ответу. Чтобы вычислить силу, мы используем данные заряда, скорости и магнитного поля, а также определение магнитной силы в форме перекрестного произведения, чтобы вычислить:
Альтернативный подход заключается в использовании уравнения 8.2.2 для определения величины силы. Это относится к обеим частям (а) и (б). Поскольку скорость перпендикулярна магнитному полю, угол между ними равен градусам. Следовательно, величина силы равна:
в. Поскольку скорость и магнитное поле параллельны друг другу, нет ориентации вашей руки, которая привела бы к направлению силы. Следовательно, сила, действующая на этот движущийся заряд, равна нулю. Это подтверждается перекрестным произведением. При пересечении двух векторов, указывающих в одном направлении, результат равен нулю.
д. Во-первых, чтобы определить направление, ваши пальцы могут указывать на любую ориентацию; однако вы должны провести пальцами вверх в направлении магнитного поля.
Поворачивая руку, обратите внимание, что большой палец может указывать в любом или возможном направлении, но не в направлении. Это должно соответствовать математическому ответу. Чтобы вычислить силу, мы используем данные заряда, скорости и магнитного поля, а также определение магнитной силы в форме перекрестного произведения, чтобы вычислить:
Это решение можно переписать через величину и угол на плоскости:
Величина силы также может быть рассчитана с помощью уравнения 8.2.2. Однако скорость в этом вопросе имеет три компонента. Составляющей скорости можно пренебречь, поскольку она параллельна магнитному полю и, следовательно, не создает силы. Величина скорости вычисляется из компонентов и . Угол между скоростью в плоскости и магнитным полем в плоскости равен градусам. Следовательно, сила рассчитывается как:
Это та же величина силы, рассчитанная по единичным векторам.
Значение
Перекрестное произведение в этой формуле дает третий вектор, который должен быть перпендикулярен двум другим.
Другие физические величины, такие как угловой момент, также имеют три вектора, которые связаны перекрестным произведением. Обратите внимание, что типичные значения силы в задачах о магнитной силе намного больше, чем гравитационная сила. Следовательно, для изолированного заряда магнитная сила является доминирующей силой, управляющей движением заряда.
ПРОВЕРЬТЕ ВАШЕ ПОНИМАНИЕ 8.1
Повторите предыдущую задачу с магнитным полем в направлении, а не в направлении. Проверьте свои ответы с помощью RHR-1.
Представление магнитных полей
Представление магнитных полей линиями магнитного поля очень полезно для визуализации силы и направления магнитного поля. Как показано на Рисунке 8.2.3, каждая из этих линий образует замкнутый контур, даже если это не показано из-за ограничений пространства, доступного для рисунка. Линии поля выходят из северного полюса (), закручиваются к южному полюсу () и продолжаются через стержневой магнит обратно к северному полюсу.
Силовые линии магнитного поля имеют несколько жестких правил:
- Направление магнитного поля касается линии поля в любой точке пространства. Маленький компас укажет направление линии поля.
- Сила поля пропорциональна близости линий. Она точно пропорциональна количеству линий на единицу площади, перпендикулярной линиям (называемой поверхностной плотностью).
- Линии магнитного поля никогда не могут пересекаться, а это означает, что поле уникально в любой точке пространства.
- Линии магнитного поля непрерывны, образуя замкнутые петли без начала и конца. Они направлены от северного полюса к южному полюсу.
Последнее свойство связано с тем, что северный и южный полюса нельзя разделить. Это явное отличие от линий электрического поля, которые обычно начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах или на бесконечности. Если бы существовали изолированные магнитные заряды (называемые магнитными монополями ), то силовые линии магнитного поля начинались бы и заканчивались на них.