Магнитное Поле
Если два параллельно расположенных проводника подсоединить к источнику тока так, чтобы по ним прошел электрический ток, то в зависимости от направления тока в них проводники либо отталкиваются, либо притягиваются.
Объяснение этого явления возможно с позиции возникновения вокруг проводников особого вида материи – магнитного поля.
Силы, с которыми взаимодействуют проводники с током, называются магнитными.
Магнитное поле – это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела.
История магнетизма уходит корнями в глубокую древность, к
античным цивилизациям Малой Азии. Именно на территории Малой
Азии, в Магнезии, находили горную породу, образцы которой
притягивались друг к другу.
Магнитные полюсы взаимодействуют друг с другом: одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные – притягиваются. Аналогично концепции электрического поля, окружающего электрический заряд, вводят представление о магнитном поле вокруг магнита.
В 1820 г. Эрстед (1777-1851) обнаружил, что магнитная стрелка,
расположенная рядом с электрическим проводником, отклоняется,
когда по проводнику течет ток, т. е. вокруг проводника с током
создается магнитное поле. Если взять рамку с током, то внешнее
магнитное поле взаимодействует с магнитным полем рамки и
оказывает на нее ориентирующее действие, т.
е. существует
такое положение рамки, при котором внешнее магнитное поле
оказывает на нее максимальное вращающее действие, и существует
положение, когда вращающий момент сил равен нулю.
Магнитное поле в любой точке можно охарактеризовать вектором В, который называется
Магнитная индукция В – это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в точке. Она равна отношению максимального механического момента сил, действующих на рамку с током, помещенную в однородное поле, к произведению силы тока в рамке на ее площадь:
За направление вектора магнитной индукции В принимается направление положительной нормали к рамке, которое связано с током в рамке правилом правого винта, при механическом моменте, равном нулю.
Точно так же, как изображали линии напряженности
электрического поля, изображают линии индукции магнитного
поля. Линия индукции магнитного поля – воображаемая линия,
касательная к которой совпадает с направлением В в точке.
Направления магнитного поля в данной точке можно определить еще как направление, которое указывает
северный полюс стрелки компаса, помещенный в эту точку. Считают, что линии индукции магнитного поля направлены от северного полюса к южному.
Направление линий магнитной индукции магнитного поля, созданного электрическим током, который течет по прямолинейному проводнику, определяется правилом буравчика или правого винта. За направление линий магнитной индукции принимается направление вращения головки винта, которое обеспечивало бы поступательное его движение по направлению электрического тока (рис. 59).
где n01= 4Пи• 10-7В • с/(А • м). – магнитная постоянная, R – расстояние, I – сила тока в проводнике.
В отличие от линий напряженности электростатического поля,
которые начинаются на положительном заряде и оканчиваются на
отрицательном, линии индукции магнитного поля всегда замкнуты.
Магнитного заряда аналогично электрическому заряду не
обнаружено.
За единицу индукции принимается одна тесла (1 Тл) – индукция такого однородного магнитного поля, в котором на рамку площадью 1 м2, по которой течет ток в 1 А, действует максимальный вращающий механический момент сил, равный 1 Н • м.
Индукцию магнитного поля можно определить и по силе, действующей на проводник с током в магнитном поле.
На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера, величина которой определяется следующим выражением:
где I – сила тока в проводнике, l –длина проводника, В – модуль вектора магнитной индукции, а – угол между вектором и направлением тока.
Направление силы Ампера можно определить по правилу левой
руки: ладонь левой руки располагаем так, чтобы линии магнитной
индукции входили в ладонь, четыре пальца располагаем по
направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец
показывает направление силы Ампера.
Учитывая, что I = q0nSv, и подставляя это выражение в (3.21), получим F = q0nSh/B sin a. Число частиц (N) в заданном объеме проводника равно N = nSl, тогда F = q0NvB sin a.
Определим силу, действующую со стороны магнитного поля на отдельную заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле:
Эту силу называют силой Лоренца (1853-1928). Направление силы Лоренца можно определить по правилу левой руки: ладонь левой руки располагаем так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре пальца показывали направление движения положительного заряда, большой отогнутый палец покажет направление силы Лоренца.
Сила взаимодействия между двумя параллельными проводниками, по которым текут токи I1 и I2 равна:
где l –часть проводника, находящаяся в магнитном поле. Если
токи одного направления, то проводники притягиваются (рис.
Магнитные свойства вещества характеризует скалярная физическая величина – магнитная проницаемость, показывающая во сколько раз индукция В магнитного поля в веществе, полностью заполняющем поле, отличается по модулю от индукции В0 магнитного поля в вакууме:
По своим магнитным свойствам все вещества делятся на диамагнитные, парамагнитные
Рассмотрим природу магнитных свойств веществ.
Электроны в оболочке атомов вещества движутся по различным
орбитам. Для упрощения считаем эти орбиты круговыми, и каждый
электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, можно
рассматривать как круговой электрический ток. Каждый электрон,
как круговой ток, создает магнитное поле, которое назовем
орбитальным.
Кроме того, у электрона в атоме есть собственное
магнитное поле, называемое спиновым.
Если при внесении во внешнее магнитное поле с индукцией В0 внутри вещества создается индукция В < В0, то такие вещества называются диамагнитными
В диамагнитных материалах при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные поля электронов скомпенсированы, и при внесении их в магнитное поле индукция магнитного поля атома становится направленной против внешнего поля. Диамагнетик выталкивается из внешнего магнитного поля.
У парамагнитных материалов магнитная индукция электронов в атомах полностью не скомпенсирована, и атом в целом оказывается подобен маленькому постоянному магниту. Обычно в веществе все эти маленькие магниты ориентированы произвольно, и суммарная магнитная индукция всех их полей равна нулю. Если поместить парамагнетик во внешнее магнитное поле, то все маленькие магниты – атомы повернутся во внешнем магнитном поле подобно стрелкам компаса и магнитное поле в веществе усиливается (
Ферромагнитными называются такие материалы, в которых n ” 1. В ферромагнитных материалах создаются так называемые домены, макроскопические области самопроизвольного намагничивания.
В разных доменах индукции магнитных полей имеют различные направления (рис. 61) и в большом кристалле
взаимно компенсируют друг друга. При внесении ферромагнитного образца во внешнее магнитное поле происходит смещение границ отдельных доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается.
С увеличением индукции внешнего поля В0 возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. При некоторых значениях В0 индукция прекращает резкий рост. Это явление называется магнитным насыщением.
Характерная особенность ферромагнитных материалов – явление
гистерезиса, которое заключается в неоднозначной зависимости
индукции в материале от индукции внешнего магнитного поля при
его изменении.
Петля магнитного гистерезиса – замкнутая кривая (cdc`d`c), выражающая зависимость индукции в материале от амплитуды индукции внешнего поля при периодическом достаточно медленном изменении последнего (рис. 62).
Петля гистерезиса характеризуется следующими величинами Bs, Br, Bc. Bs – максимальное значение индукции материала при В0s; Вr – остаточная индукция, равная значению индукции в материале при уменьшении индукции внешнего магнитного поля от B0s до нуля; -Вс и Вс – коэрцитивная сила – величина, равная индукции внешнего магнитного поля, необходимого для изменения индукции в материале от остаточной до нуля.
Для каждого ферромагнетика существует такая температура (точка Кюри (Ж. Кюри, 1859-1906), выше которой ферромагнетик утрачивает свои ферромагнитные свойства.
Существует два способа приведения намагниченного
ферромагнетика в размагниченное состояние: а) нагреть выше
точки Кюри и охладить; б) намагничивать материал переменным
магнитным полем с медленно убывающей амплитудой.
Ферромагнетики, обладающие малой остаточной индукцией и коэрцитивной силой, называются магнитомягкими. Они находят применение в устройствах, где ферромагнетику приходится часто перемагничиваться (сердечники трансформаторов, генераторов и др.).
Магнитожесткие ферромагнетики, обладающие большой коэрцитивной силой, применяются для изготовления постоянных магнитов.
Магнитное поле, как особый вид материи. Характеристики. Изображение (Реферат)
Содержание:
- Закон Био-Саварда-Лапласа
- Поле прямого тока
- Круговой ток
- Суперпозиция магнитных полей
- Действие магнитных полей на движущиеся токи и заряды
- Опыт Буша. Метод магнитного фокуса
- Эффект Холла
- Заключение
| Предмет: | Физика |
| Тип работы: | Реферат |
| Язык: | Русский |
| Дата добавления: | 04. 03.2019 |
- Данный тип работы не является научным трудом, не является готовой работой!
- Данный тип работы представляет собой готовый результат обработки, структурирования и форматирования собранной информации, предназначенной для использования в качестве источника материала при самостоятельной подготовки учебной работы.
Если вам тяжело разобраться в данной теме напишите мне в whatsapp разберём вашу тему, согласуем сроки и я вам помогу!
По этой ссылке вы сможете найти много готовых тем для рефератов по физике:
| Много готовых рефератов по физике |
Посмотрите похожие темы возможно они вам могут быть полезны:
Введение:
Взаимодействие проводников (токов) происходит через магнитное поле.
Эрстед впервые был замечен в экспериментах с проводниками тока и магнитными стрелками. Магнитное поле – это материальная субстанция, которая не регистрируется органами чувств, но имеет свои физические характеристики. В эксперименте Эрстеда проволока, по которой протекал ток, была протянута над магнитной иглой, вращающейся на игле. Когда ток был включен, стрелка была установлена перпендикулярно проводу. При изменении направления тока стрелка поворачивалась в противоположном направлении.
Электрическое поле создается неподвижными электрическими зарядами, магнитное поле – движущимися электрическими зарядами (электрическими токами) и не влияет на заряд покоя. Сила возникает только тогда, когда заряд движется. Проводник тока – это электрически нейтральная система зарядов, в которой заряды одного знака движутся в одном направлении, а заряды другого знака движутся в противоположном направлении (или покоятся). Отсюда следует, что магнитное поле создается движущимися зарядами.
Итак, движущиеся заряды (токи) изменяют свойства окружающего их пространства – они создают в нем магнитное поле. Это поле проявляется в том, что силы действуют на движущиеся в нем заряды (токи). Магнитное поле описывается магнитными силовыми линиями и проявляется действием силы на электрические токи. Индикатор электрического поля представляет собой тестовый электрический заряд, индикатор магнитного поля – это тестовый замкнутый контур с током.
При помещении испытательной цепи с током в любую точку, где вы хотите определить магнитное поле, схема будет ориентироваться (вращаться) так, чтобы ее нормаль была установлена по полю. Направление нормали будет указывать направление магнитного поля в данной точке. Мы помещаем тестовую схему в какую-то точку магнитного поля; Схема устанавливается вдоль поля. Нормаль подключается к току в цепи в соответствии с правилом правого винта. Для направления поля выберите направление положительной нормали контура.
Магнитный момент будет действовать на контур в магнитном поле, которое имеет тенденцию вращать нормаль контура вдоль поля.
Если нормаль и направление поля имеют угол – минимальный момент, – максимальный момент. Цепь, по которой течет ток, имеет собственный магнитный момент, который пропорционален току и площади цепи.
Различные испытательные контуры, когда они введены в данной точке, будут вызывать разные крутящие моменты, но отношение (- максимальный крутящий момент) будет одинаковым для всех точек и пропорционально магнитной индукции. Производная магнитной индукции () представляет собой напряженность магнитного поля (H), которая устанавливается следующим образом: где – магнитная проницаемость вещества (безразмерная величина). Величины B и H являются векторными величинами. H = 1 А / м 1 А / м – напряженность такого поля, магнитная индукция которого в вакууме равна. B = 1 Tl = 1 Н / (А • м) 1 Тл – это магнитная индукция такого однородного магнитного поля, которое действует с силой 1 Н на метр длины прямолинейного проводника, перпендикулярного направлению поля, если через этот проводник проходит ток 1 А.
Для направления магнитного поля в любой точке возьмите направление, в котором векторы и ориентированы. Магнитное поле описывается магнитными силовыми линиями, которые всегда закрыты (тонкие металлические опилки определенным образом ориентированы вокруг проводников с током (магнитами) – магнитными силовыми линиями).
Закон Био-Саварда-ЛапласаБио и Савард провели эксперименты по ориентации магнитных стрелок вблизи токов различной конфигурации. Лаплас, суммируя математически свои эксперименты, показал, что каждый элемент тока вызывает магнитное поле в окружающем его пространстве, которое рассчитывается как суммарное поле, создаваемое в элементарных отдельных участках тока.
Рассмотрим проводник произвольной формы, по которому течет ток i. Выберите на нем простейший раздел дл. Мы находим магнитное поле в точке 1 на расстоянии r от dl, которое составляет угол с dl.
Закон биосаварда-лапласа: где dl – вектор по модулю, равный длине dl элемента проводника и совпадающий по направлению с током, r – радиус-вектор, выведенный из элемента dl проводника в точку 1 поля.
Рассмотрим прямолинейный проводник , по которому течет ток i. Подберем на нем элементарный разрез dl на расстоянии от вектора радиуса. Линии магнитной индукции поля постоянного тока представляют собой систему концентрических окружностей, охватывающих провод.
Правило Гимлета для прямого тока.
Пусть поступательное движение буравчика (наконечника) совпадает с направлением тока, вращательное движение рукоятки показывает плоскость и направление магнитных силовых линий, касательных к ним в любой точке совпадает с вектором.
Круговой токРассмотрим круговой ток радиуса r. Найти напряженность магнитного поля в центре кругового тока. Следовательно, магнитная индукция поля в центре круглого проводника с током Правило Гимлета для кругового тока. Пусть вращательное движение ручки буравчика совпадает с направлением тока, тогда поступательное движение покажет вектор или в центре кругового тока.
Суперпозиция магнитных полейДля магнитного поля, как и для электрического поля, действует принцип суперпозиции: поле B, генерируемое несколькими движущимися зарядами (токами), равно векторной сумме полей, генерируемых каждым зарядом (током) в отдельности.
Рассмотрим два параллельных тока, протекающих в противоположных направлениях вдоль двух проводников. Мы находим напряженность магнитного поля в точках A, B, C.
Действие магнитных полей на движущиеся токи и заряды
Сила Ампера
Рассмотрим проводник произвольной формы, по которому течет ток. Если вы поместите его в магнитное поле, то на проводник будет действовать сила, которая называется силой Ампера. Направление силы Ампера рассчитывается по правилу левой руки: мы кладем левую руку так, чтобы 4 вытянутых пальца совпадали с направлением тока, магнитные силовые линии входили в ладонь руки, затем в большой палец согнутый на 90 ° покажет направление силы Ампера.
Сила Лоренца
Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки: мы помещаем левую руку так, чтобы 4 вытянутых пальца совпадали со скоростью заряда, а магнитные силовые линии входили в ладонь руки, затем большой палец сгибался 90 ° указывает направление силы Лоренца.
Направление силы Лоренца перпендикулярно плоскости, в которой лежат векторы.
Отсюда следует, что скорость зарядов перпендикулярна силе. Видно, что отсюда работа нулевая. Сила Лоренца не может работать и изменять энергию частиц. Действуя с магнитным полем на движущуюся заряженную частицу, нельзя изменить ее энергию. Поскольку исторически принято, что направление положительных токов принимается за направление положительных зарядов, правило левой руки действует только для положительных зарядов. Для отрицательных зарядов необходимо принять направление, противоположное силе Лоренца.
Чтобы определить удельный заряд электрона, был проведен ряд экспериментов. Рассмотрим метод магнитной фокусировки, разработанный Бушем. Когда катод K нагревается, электроны имитируются и ускоряются полем анода.
Чем больше напряжение U, тем больше скорость частицы. При выходе из анода, в котором предусмотрено отверстие, частицы проходят сквозь него и собираются в пучке через конденсатор и попадают в поле соленоида под небольшими углами.
Частицы будут двигаться в соленоиде (магнитном поле) по спиральной траектории; они преодолевают расстояние за один оборот. Перемещение экрана так, чтобы частицы были сфокусированы на экране, т.е. где n – угловое число.
Эффект Холла – это возникновение в металле (или полупроводнике) с плотностью тока, помещенной в магнитное поле B электрического поля в направлении, перпендикулярном B. Рассмотрим плоскопараллельную металлическую пластину, пусть плотность течет вдоль одной из граней. В проводнике появляется электрическое поле; эквипотенциальные поверхности 1, 2 будут перпендикулярны граням. Давайте пропустим магнитное поле вдоль смежной грани индукцией B, тогда эквипотенциальные поверхности будут наклонены, разность потенциалов появится на остальных гранях и эффект Холла.
Когда металлическая пластина помещается в магнитное поле, сила Лоренца будет действовать на каждый движущийся электрон, который, в соответствии с правилом левой руки, будет отклонять электроны к верхней грани, где будет определяться избыточный отрицательный заряд и их отсутствие (избыточный положительный заряд) на нижней грани.
В результате этого между краями пластины возникает поперечное электрическое поле, направленное вверх. Когда напряженность этого поперечного поля достигает такого значения, что его воздействие на заряды будет уравновешивать силу Лоренца, тогда будет установлено стационарное распределение зарядов в поперечном направлении. Затем где d – ширина пластины, – поперечная (холловская) разность потенциалов.
Мы принимаем во внимание, что сила тока где S – площадь поперечного сечения пластины толщиной a, n – концентрация электронов, средняя скорость упорядоченного движения электронов. где R – постоянная Холла в зависимости от вещества. Те. поперечная разность потенциалов Холла прямо пропорциональна магнитной индукции B, току I и обратно пропорциональна толщине пластины a.
Константа Холла зависит от заряда носителей e и концентрации носителей n. Поэтому, измеряя разницу потенциалов Холла в металлах, можно найти концентрацию носителей тока внутри проводника. Знак разности потенциалов Холла зависит от знака заряда носителей.
Зная электропроводность металла, можно найти и определить индивидуально концентрацию, знак носителей. Поэтому эффект Холла является наиболее эффективным методом изучения энергетического спектра носителей тока в металлах и полупроводниках.
Итак, между движущимися зарядами (и, следовательно, между проводниками с током) существует магнитное взаимодействие, которое передается через магнитное поле. Магнитное поле обнаруживается воздействием на постоянные магниты, в частности магнитные стрелки, а также на рамку с током. Магнитное поле оказывает ориентирующее влияние на магнитную стрелку и рамку с током. Магнитное поле создается движущимися заряженными частицами (электрическим током), постоянными магнитами, а также изменяющимся электрическим полем. Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции. Если вы поместите проводник в магнитное поле, то на проводник будет действовать сила, которая называется силой Ампера и определяется по правилу левой руки.
Сила, действующая на одну частицу в магнитном поле, называется силой Лоренца и определяется тем же правилом левой руки. Правило левой руки для силы Лоренца справедливо только для положительных зарядов, для отрицательных зарядов необходимо принять направление, противоположное силе Лоренца.
Ускорители заряженных частиц называются устройствами для получения заряженных частиц (электронов, протонов, атомных ядер, ионов), которые имеют очень высокую кинетическую энергию. Увеличение энергии ускоренных частиц происходит под действием электрического поля ускорителя. В зависимости от типа ускорителя это поле может быть электростатическим, индуктивным или переменным высокочастотным. Соответственно ускорители делятся на электростатические (или высоковольтные), индукционные и резонансные. По форме траектории ускоренных частиц различают линейные и циклические ускорители. В линейных ускорителях пути частиц близки к прямым линиям, а в циклических ускорителях они имеют форму кругов или спиралей.
В ходе этой работы были разработаны демонстрации в программе Flash (название демонстрации: определение направления магнитного поля, правило левой руки, правило левой руки для силы Лоренца, правило буравчик для прямого тока, эффект Холла), чтобы проиллюстрировать эти законы и явления.
Электромагнитное поле
Между электрическим и магнитным полем существует глубокая внутренняя связь. Она проявляется в том, что данные поля могут превращаться друг в друга. Так, любому изменению магнитного поля всегда сопутствует появление электрического поля и наоборот. Изменение электрического поля влечет за собой появление магнитного поля. Эти два поля образуют электромагнитное поле, которое не их простая сумма, это единое целое, в котором эти два поля не существуют отдельно. Взаимопревращения этих полей было открыто Максвеллом в середине XIX века, который рассмотрел общую теорию электромагнитного поля в неподвижных средах. Теория, которую предложил Максвелл, позволила с единой точки зрения охватить всю совокупность явлений, которые были известны к тому времени и касались электрических и магнитных полей.
Замечание
Электромагнитное поле описывается вектором напряженности электрического поля ($\overrightarrow{E}$) и вектором индукции магнитного поля ($\overrightarrow{B}$).
Электромагнитное поле, по сути, является непрерывным процессом перехода электрического поля в магнитное поле и наоборот. Распространяясь в пространстве и во времени электромагнитное поле образует электромагнитную волну. При этом вектор $\overrightarrow{E}$ перпендикулярен $\overrightarrow{B}$, плоскость, в которой расположены данные векторы, перпендикулярна направлению распространения электромагнитной волны.
Замечание 1
Электромагнитное поле — особый вид материи, оно имеет энергию, конечную скорость распространения, которая зависит от диэлектрической и магнитной проницаемости среды, массу, импульс. С помощью электромагнитного поля осуществляется взаимодействие между заряженными частицами.
С одной стороны электромагнитное поле непрерывно в пространстве, что подтверждается существованием электромагнитных волн. С другой стороны электромагнитное поле проявляет дискретность структуры, что подтверждается существованием фотонов.
Электромагнитные поля описываются с использованием системы уравнений Максвелла.
Постоянное электромагнитное поле
Постоянным электромагнитным полем будем называть поле, которое не зависит от времени. Потенциалы постоянного поля можно выбрать так, чтобы они не зависели от времени, а были только функциями координат. При этом постоянное магнитное поле можно определить через векторный потенциал ($\overrightarrow{A}$):
Постоянное электрическое поле запишем как:
Так, постоянное электрическое поле определяется только скалярным потенциалом, а магнитное поле — векторным потенциалом.
Замечание 2
При этом необходимо отметить, что потенциалы поля определяются неоднозначно. Если описывать электромагнитное поле с помощью потенциалов, которые не зависят от времени, то к скалярному потенциалу можно добавить любую константу, не изменив поля. Произвол в скалярном потенциале убирают, накладывая на $цo$ дополнительное условие, например, требуя, чтобы он имел определенную величину, в какой — то точке, например, был равен нулю в бесконечности.
Векторный потенциал неоднозначен для постоянного электромагнитного поля, если к нему добавить градиент любой функции координат, то поле не изменится.
В том случае, если напряженность поля во всех точках пространства одинакова, то такое поле называют однородным. Скалярный потенциал однородного электрического поля можно выразить как:
Проверим справедливость данного утверждения. Найдем градиент от правой и левой частей выражения (3), учитывая, что $\overrightarrow{E}=const$:
Векторный потенциал однородного магнитного поля можно выразить как:
Проверим данное утверждение, для этого найдем ротор от векторного произведения в правой части выражения (5), при этом учтем, что $\overrightarrow{H}=const$.
где $div\overrightarrow{r}=3.$
Энергия заряда в постоянном электромагнитном поле
В том случае, если мы имеем дело с постоянным электромагнитным полем, то функция Лагранжа для заряда не зависит в явном виде от времени. Тогда энергия ($W$) сохраняется, при этом совпадает с функцией Гамильтона:
где $q \varphi $ — потенциальная энергия заряженной частицы в поле.
Надо отметить, что энергия зависит только от скалярного и не зависит от векторного потенциала. То есть магнитное поле не оказывает влияния на энергию зарядов, энергию заряженной частицы может изменять только электрическое поле. Как известно, магнитное поле в отличие от электрического поля работы над заряженной частицей не производит.
Пример 1
Задание: Объясните, почему нельзя абсолютно определенно утверждать, что в какой — либо точке пространства имеется только электрическое поле или только магнитное поле?
Решение:
Невозможно создать переменное магнитное поле так, чтобы одновременно с этим событием в пространстве не возникло переменное электрическое поле, и наоборот. Однако не менее важным является тот факт, что магнитное поле без электрического (и электрическое поле без магнитного) могут иметься лишь относительно к определенной системе отсчета. Допустим, неподвижный заряд порождает только электрическое поле, но заряд покоится только относительно определенной системы отсчета.
Если взять иную систему отсчета, этот же заряд может двигаться, соответственно, будет генерировать магнитное поле, помимо электрического поля.
Аналогично можно рассмотреть ситуацию с неподвижным постоянным магнитом, который порождает только магнитное поле. Тогда как движущийся мимо магнита наблюдатель зафиксирует наличие и магнитного, и электрического полей. Так как в системе отсчета, которая движется относительно магнита, магнитное поле будет переменным, значит, станет порождать вихревое электрическое поле.
Следовательно, надо сделать вывод о том, что однозначно утверждать, что в выбранной точке пространства существует только магнитное или только электрическое поле бессмысленно, если не указывать, относительно какой системы отсчета рассматриваются данные поля.
Пример 2
Задание: Объясните, каким образом человек узнает о том, что в данном месте пространства существует электромагнитное поле?
Решение:
Человек не может непосредственно воспринимать электромагнитное поле, за исключением поля световой волны.
О том, течет ли электрический ток по проводнику, человек может узнать только опосредованно, например, по тепловым эффектам (нагрев проводника), механическим эффектам (отклонению стрелки гальванометра). Мы можем понять, что тело имеет заряд только по тому, что оно притягивает другое заряженное тело или разряжается через искру, когда его приближают к другому заряженному телу. Итак, мы можем сделать вывод о том, что имеем дело с электромагнитным полем, только по наблюдаемым, (при определенных условиях) появлению или исчезновению доступных восприятию человека, форм энергий (тепловой, механической). Исходя из закона сохранения энергии, можно сделать вывод, что появление или исчезновение воспринимаемых нами видов энергии происходит за счет перехода какой – то другой формы энергии, которую называют энергией электромагнитного поля.
магнетизм | Определение, примеры, физика и факты
магнитное поле от токовой петли
Посмотреть все СМИ
- Ключевые люди:
- Джон Б.
Гуденаф
Пьер Кюри
Петр Леонидович Капица
Юлиус Плюкер
Питер Перегрин де Марикур
Гуденаф
Пьер Кюри
Петр Леонидович Капица
Юлиус Плюкер
Питер Перегрин де Марикур- Похожие темы:
- магнит ферромагнетизм магнитная цепь антиферромагнетизм магнитный полюс
Просмотреть весь соответствующий контент →
Резюме
Прочтите краткий обзор этой темы
магнетизм , явление, связанное с магнитными полями, которые возникают в результате движения электрических зарядов. Это движение может принимать различные формы. Это может быть электрический ток в проводнике или заряженные частицы, движущиеся в пространстве, или это может быть движение электрона по атомной орбите. Магнетизм также связан с элементарными частицами, такими как электрон, которые обладают свойством, называемым вращением.
Основой магнетизма являются магнитные поля и их воздействие на материю, как, например, отклонение движущихся зарядов и крутящих моментов на другие магнитные объекты. Доказательством наличия магнитного поля является магнитная сила, действующая на заряды, движущиеся в этом поле; сила направлена под прямым углом как к полю, так и к скорости заряда.
Эта сила отклоняет частицы, не изменяя их скорости. Отклонение можно наблюдать по крутящему моменту стрелки компаса, который выравнивает стрелку с магнитным полем Земли. Игла представляет собой намагниченный тонкий кусок железа, т. е. небольшой стержневой магнит. Один конец магнита называется северным полюсом, а другой конец – южным полюсом. Сила между северным и южным полюсами притягивает, тогда как сила между одинаковыми полюсами отталкивает. Магнитное поле иногда называют магнитной индукцией или плотностью магнитного потока; это всегда символизируется цифрой Б . Магнитные поля измеряются в единицах тесла (Тл). (Другой единицей измерения, обычно используемой для B , является гаусс, хотя он больше не считается стандартной единицей. Один гаусс равен 10 −4 тесла.) поток через любую замкнутую поверхность равен нулю. (Замкнутая поверхность — это та, которая полностью окружает объем.) Это выражается математически как div B = 0 и может быть понято физически с точки зрения силовых линий, представляющих Б .
Эти линии всегда замкнуты сами на себя, так что если они в какой-то момент входят в какой-то объем, то должны и выйти из этого объема. В этом отношении магнитное поле сильно отличается от электрического поля. Силовые линии электрического поля могут начинаться и заканчиваться на заряде, но, несмотря на многочисленные поиски так называемых магнитных монополей, не было найдено эквивалентного магнитного заряда.
Наиболее распространенным источником магнитных полей является петля электрического тока. Это может быть электрический ток в круглом проводнике или движение электрона по орбите в атоме. С обоими этими типами токовых петель связан магнитный дипольный момент, значение которого равно i A , произведение тока i и площади петли A . Кроме того, электроны, протоны и нейтроны в атомах имеют магнитный дипольный момент, связанный с их собственным спином; такие магнитные дипольные моменты представляют собой еще один важный источник магнитных полей.
Частицу с магнитным дипольным моментом часто называют магнитным диполем. (Магнитный диполь можно рассматривать как крошечный стержневой магнит. Он имеет то же магнитное поле, что и такой магнит, и ведет себя так же во внешних магнитных полях.) Помещенный во внешнее магнитное поле, магнитный диполь может подвергаться воздействию крутящий момент, стремящийся выровнять его с полем; если внешнее поле неоднородно, на диполь также может действовать сила.
Все вещества в той или иной степени обладают магнитными свойствами. Помещенное в неоднородное поле вещество либо притягивается, либо отталкивается в направлении градиента поля. Это свойство описывается магнитной восприимчивостью вещества и зависит от степени намагниченности вещества в поле. Намагниченность зависит от величины дипольных моментов атомов в веществе и степени, в которой дипольные моменты выровнены друг относительно друга. Некоторые материалы, такие как железо, обладают очень сильными магнитными свойствами из-за выравнивания магнитных моментов их атомов в определенных небольших областях, называемых доменами.
В нормальных условиях различные домены имеют поля, которые компенсируют друг друга, но они могут быть выровнены друг с другом, создавая чрезвычайно большие магнитные поля. Различные сплавы, такие как NdFeB (сплав неодима, железа и бора), поддерживают выравнивание своих доменов и используются для изготовления постоянных магнитов. Сильное магнитное поле, создаваемое типичным трехмиллиметровым магнитом из этого материала, сравнимо с электромагнитом, состоящим из медной петли, по которой течет ток в несколько тысяч ампер. Для сравнения, сила тока в обычной лампочке составляет 0,5 ампера. Поскольку выравнивание доменов материала создает магнит, нарушение упорядоченного выравнивания разрушает магнитные свойства материала. Термическое возбуждение, возникающее в результате нагревания магнита до высокой температуры, разрушает его магнитные свойства.
Сила магнитных полей сильно различается. Некоторые репрезентативные значения приведены в таблице.
Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.
Подписаться сейчас
| Типичные магнитные поля | |
|---|---|
| внутри атомных ядер | 10 11 Т |
| в сверхпроводящих соленоидах | 20 т |
| в циклотроне со сверхпроводящей катушкой | 5 Т |
| возле небольшого керамического магнита | 0,1 Тл |
| Поле Земли на экваторе | 4(10 −5 ) Т |
| в межзвездном пространстве | 2(10 −10 ) Т |
Магнитные свойства — Химия LibreTexts
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 615
Цели обучения
- Понять разницу между ферромагнетизмом, парамагнетизмом и диамагнетизмом
- Чтобы определить, будет ли химическое вещество парамагнитным или диамагнитным при воздействии внешнего магнитного поля
Магнитный момент системы измеряет силу и направление ее магнетизма.
Сам термин обычно относится к магнитному дипольному моменту. Все, что является магнитным, например, стержневой магнит или петля электрического тока, имеет магнитный момент. Магнитный момент является векторной величиной, имеющей величину и направление. Электрон обладает магнитным дипольным моментом электрона, создаваемым собственным свойством вращения электрона, что делает его движущимся электрическим зарядом. Есть много различных магнитных свойств, включая парамагнетизм, диамагнетизм и ферромагнетизм.
Интересной характеристикой переходных металлов является их способность образовывать магниты. Комплексы металлов с неспаренными электронами являются магнитными. Поскольку последние электроны находятся на d-орбиталях, этот магнетизм должен быть связан с наличием неспаренных d-электронов. Спин отдельного электрона обозначается квантовым числом \(m_s\) как +(1/2) или –(1/2). Этот спин отрицается, когда электрон соединяется с другим, но создает слабое магнитное поле, когда электрон не спарен.
Более неспаренные электроны усиливают парамагнитные эффекты. Электронная конфигурация переходного металла (d-блок) изменяется в координационном соединении; это происходит из-за сил отталкивания между электронами в лигандах и электронами в соединении. В зависимости от силы лиганда соединение может быть парамагнитным или диамагнитным.
Ферромагнетизм (постоянный магнит)
Ферромагнетизм — это основной механизм, с помощью которого определенные материалы (например, железо) образуют постоянные магниты . Это означает, что соединение проявляет постоянные магнитные свойства, а не только в присутствии внешнего магнитного поля (рис. \(\PageIndex{1}\)). В ферромагнитном элементе электроны атомов сгруппированы в домены, в которых каждый домен имеет одинаковый заряд. В присутствии магнитного поля эти домены выстраиваются так, что заряды во всем соединении параллельны. Может ли соединение быть ферромагнитным или нет, зависит от количества неспаренных электронов и размера его атома.
Ферромагнетизм, постоянный магнетизм, связанный с никелем, кобальтом и железом, является обычным явлением в повседневной жизни. Примеры знания и применения ферромагнетизма включают дискуссию Аристотеля в 625 г. до н.э., использование компаса в 1187 г. и современный холодильник. Эйнштейн продемонстрировал, что электричество и магнетизм неразрывно связаны в его специальной теории относительности.
Парамагнетизм (притяжение к магнитному полю)
Парамагнетизм относится к магнитному состоянию атома с одним или несколькими неспаренными электронами. Неспаренные электроны притягиваются магнитным полем из-за магнитных дипольных моментов электронов. Правило Хунда гласит, что электроны должны занимать каждую орбиталь по отдельности, прежде чем любая орбиталь будет занята дважды. Это может оставить атом со многими неспаренными электронами.
Поскольку неспаренные электроны могут вращаться в любом направлении, они проявляют магнитные моменты в любом направлении. Эта способность позволяет парамагнитным атомам притягиваться к магнитным полям. Двухатомный кислород \(O_2\) является хорошим примером парамагнетизма (описанного с помощью теории молекулярных орбиталей). На следующем видео показан жидкий кислород, притягиваемый магнитным полем, создаваемым сильным магнитом:
Диамагнетизм (отталкивание магнитным полем)
Как показано в видео, молекулярный кислород (\(\ce{O2}\)) является парамагнитным и притягивается к магнит. Напротив, молекулярный азот (\(\ce{N_2}\)) не имеет неспаренных электронов и является диамагнитным; на него не действует магнит. Диамагнетики характеризуются наличием спаренных электронов, например, отсутствием неспаренных электронов.
Согласно принципу запрета Паули, который гласит, что никакие два электрона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии, спины электронов ориентированы в противоположных направлениях. Это заставляет магнитные поля электронов уравновешиваться; таким образом, нет чистого магнитного момента, и атом не может быть притянут магнитным полем. На самом деле диамагнитные вещества слабо отталкивает магнитным полем, как показано на примере пироуглеродного листа на рисунке \(\PageIndex{2}\).
Как определить, является ли вещество парамагнетиком или диамагнетиком
Магнитные свойства вещества можно определить, изучив его электронную конфигурацию: если в нем есть неспаренные электроны, то вещество парамагнитно, а если все электроны спарены, то вещество диамагнитный.
Этот процесс можно разбить на три этапа:
- Запишите электронную конфигурацию
- Нарисуйте валентные орбитали
- Определите, существуют ли неспаренные электроны
- Определите, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным
Пример \(\PageIndex{1}\): Атомы хлора
Шаг 1: Найдите электронную конфигурацию
Для атомов Cl электронная конфигурация 3s 2 3p Шаг 2 5 9002 : Нарисуйте валентные орбитали
Игнорируйте основные электроны и сосредоточьтесь только на валентных электронах.
Шаг 3: Найдите неспаренные электроны
Имеется один неспаренный электрон.
Шаг 4: Определить, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным
Поскольку имеется неспаренный электрон, атомы \(\ce{Cl}\) парамагнитны (хотя и слабо).
Пример \(\PageIndex{2}\): Атомы цинка
Шаг 1.
Найдите электронную конфигурацию
Для атомов цинка электронная конфигурация 4s 2 3d 10
90 0: Нарисуйте валентные орбиталиШаг 3: Найдите неспаренные электроны
Неспаренных электронов нет.
Шаг 4: Определите, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным
Поскольку неспаренных электронов нет, атомы \(\ce{Zn}\) диамагнитны.
Упражнение \(\PageIndex{1}\)
- Сколько неспаренных электронов содержится в атомах кислорода?
- Сколько неспаренных электронов содержится в атомах брома? 9{2+}}\) ионы бывают парамагнитными или диамагнитными.
- Ответить на
- Атом O имеет электронную конфигурацию 2s 2 2p 4 . Следовательно, O имеет 2 неспаренных электрона.
- Ответ б
- Атом Br имеет электронную конфигурацию 4s 2 3d 10 4p 5 . Следовательно, Br имеет 1 неспаренный электрон.
- Ответ c 9{2+}}\) ион имеет 3d 6 в качестве электронной конфигурации. Поскольку у него 4 неспаренных электрона, он парамагнетик.
Следовательно, Br имеет 1 неспаренный электрон.Ссылки
- Петруччи, Ральф Х. Общая химия: принципы и современные приложения. 9-й. Река Верхнее Седло: Пирсон Прентис Холл, 2007 г.
- Шерман, Алан, Шэрон Дж. Шерман и Леонард Русикофф. Основные понятия химии Пятое издание. Бостон, Массачусетс: Компания Houghton Mifflin, 1992. Печать.
Авторы и авторство
Джим Кларк (Chemguide.co.uk)
Доктор Ричард Спинни (Университет штата Огайо)
Magnetic Properties распространяется по незадекларированной лицензии, автором, ремиксом и/или куратором является LibreTexts.
- Наверх
- Была ли эта статья полезной?
- Тип изделия
- Раздел или страница
- Показать страницу TOC
- нет на странице
- Метки
- постоянный магнит
Поле Земли
Дисплей на солнечной энергии Солнце также имеет атмосферу и магнитное поле, простирающееся в космос. Атмосфера Солнца состоит из водорода, который сам состоит из субатомных частиц: протонов и электронов. Эти частицы постоянно испаряются с Солнца и устремляются наружу с очень высокой скоростью. Вместе магнитное поле Солнца и частицы называются «солнечным ветром».
Для сжатия магнитного поля Земли требуется энергия, точно так же, как требуется энергия для сжатия воздушного шара с воздухом внутри. Весь процесс до конца еще не изучен, но энергия солнечного ветра постоянно накапливается в магнитосфере, и эта энергия питает полярные сияния.
| ||||||||||||||||||
В этом пространстве есть много вещей, которые мы не можем видеть.
Можете ли вы сказать, где магнитное поле самое сильное? Где он самый слабый?
Но почему это происходит? Чтобы найти ответ, мы должны смотреть дальше, к Солнцу. Захватывающие, «большие» полярные сияния в «Как они выглядят?» питаются от того, что называется солнечным ветром.
Они перемещаются вдоль силовых линий к земле на север и юг, пока огромное количество электронов не вытесняется в верхний слой атмосферы, называемый ионосферой.