От чего зависит магнитное поле: «От чего зависит магнитное действие катушки с током?» — Яндекс Кью

Действие магнитного поля на проводник с током 11 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Введение

 

На прошлом уроке мы выяснили, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, линии которого замкнуты (рис. 1).

 

Рис. 1. Линии магнитного поля проводника с током

Опытным путем мы установили, что направление линий магнитного поля вокруг проводника напрямую связано с направлением электрического тока в проводнике и для определения этого направления можно использовать или правило правой руки, или «правило буравчика».

Проведя эксперименты, мы увидели, что небольшой виток из проводника, по которому пропущен электрический ток, то есть виток с током, ведет себя в магнитном поле подобно магнитной стрелке. На виток действует вращающий момент сил, который заставляет разворачиваться его таким образом, чтобы линии магнитного поля пронизывали плоскость витка под прямым углом (рис. 2).

Рис. 2. Действие линий магнитного поля на виток

При этом мы выяснили, что такой виток с током можно использовать для анализа силовых свойств магнитного поля, и ввели физическую величину, которая определяет силовые свойства магнитного поля – это индукция. Единица ее измерения – тесла:

 – индукция магнитного поля

 

Закон взаимодействия токов

 

 

Проведя ряд экспериментов, Андре-Мари Ампер выяснил: два прямых параллельных проводника с током притягиваются друг к другу, если по ним протекают однонаправленные токи, то есть токи одного направления (рис. 3).

 

Рис. 3. Однонаправленные токи

Эти же проводники с током отталкиваются, если по ним протекают токи противоположных направлений (рис. 4).

Рис. 4. Разнонаправленные токи

Анализ проведенных экспериментов позволил Амперу вывести свой знаменитый закон взаимодействия токов: сила взаимодействия двух параллельных проводников с током пропорциональна произведению величин токов в этих проводниках на длину проводников и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками.

Кроме того, мы выяснили, что проводники с током оказывают магнитное действие, а проводник, скрученный в катушку (соленоид), ведет себя подобно постоянному плоскому магниту (рис. 5).

Рис. 5. Соленоид

Определить полярность такого магнита также можно по правилу правой руки (рис. 6): «Если обхватить соленоид ладонью правой руки и направить четыре пальца по направлению тока в нем, то отставленный на 90° большой палец будет указывать направление линий магнитного поля внутри соленоида».

Рис. 6. Определение полярности магнита по правилу правой руки

Теперь ответим на следующий вопрос: почему именно так взаимодействуют параллельные проводники с током? И откуда берется момент сил, заставляющий виток с током разворачиваться между полюсами магнита?

 

Опыт 1

 

 

Чтобы исследовать влияние магнитного тока на проводник с током, необходимо проделать ряд опытов. Для этого мы собрали установку: проводник с током, который помещен между полюсами дугообразного магнита, причем магнит расположен таким образом, чтобы линии магнитного поля, создаваемые им, были направлены снизу вверх, то есть от северного полюса магнита к южному (рис. 7).

 

Рис. 7. Расположение проводника с током между полюсами магнита

Проводник при помощи системы проводов мы подключим к источнику тока так, чтобы при замыкании источника ток в проводнике протекал в направлении данной стрелки (рис. 8).

Рис. 8. Направление тока	Рис. 9. Готовая установка

Посмотрим, что будет, если просто замкнуть цепь (рис. 10).

Рис. 10. Проводник отклонился от своего начального положения

Видим, что проводник при пропускании по нему электрического тока отклонился от своего начального положения, как бы втягиваясь внутрь дугообразного магнита. Теперь посмотрим, как будет вести себя проводник, если изменить направление тока в нем (клеммы «+» и «-» на источнике меняем местами) и замкнуть цепь (рис. 11).

Рис. 11. Движение проводника при смене направления тока

Мы видим, что проводник снова отклоняется от своего начального положения, но при этом он как бы выталкивается из пространства между полюсами магнита.

Итак, мы можем сделать вывод, что магнитное поле на помещенный в него проводник с током действует с некоторой силой. Направление этой силы зависит от направления тока в проводнике. Но возникает вопрос: только ли от направления тока в проводнике она зависит?

 

Опыт 2

 

 

Чтобы ответить на этот вопрос, сделаем следующий шаг: оставим направление тока таким же, каким оно было в последнем опыте, но изменим направление линий магнитного поля. Расположим магнит таким образом, чтобы линии магнитного поля были направлены сверху вниз (от северного полюса к южному) (рис. 12).

 

Рис. 12. Линии магнитного поля направлены сверху вниз

Посмотрим, как себя будет вести проводник с током. При замыкании цепи видно, что проводник при том же самом направлении тока в нем теперь втягивается внутрь пространства между полюсами магнита (рис. 13).

Рис. 13. Проводник втягивается внутрь пространства между полюсами магнита

Для завершения опыта снова изменим направление тока в проводнике и замкнем цепь. Видим, что проводник выталкивается из пространства между полюсами магнита (рис. 14).

Рис. 14. Проводник выталкивается из пространства между полюсами магнита

Мы видим, что поведение проводника с током, помещенного в магнитное поле, определяется направлением тока в проводнике и расположением полюсов магнита. Следовательно, со стороны магнитного поля на помещенный в это поле проводник с током действует сила, направление которой зависит как от направления электрического тока в проводнике, так и от направления линий магнитного поля. То есть все названные направления тесно взаимосвязаны.

Рис. 15. Направление силы  со стороны магнитного поля зависит от направления электрического тока  в проводнике и от линий магнитного поля

 

Правило левой руки

 

 

Еще раз запустим ток по проводнику и попробуем связать между собой указанные три направления (рис. 16).

 

Рис. 16. Проводник снова выталкивается из пространства между полюсами магнита

Видим, что проводник с током снова как бы выталкивается из пространства между полюсами магнита, линии магнитного поля направлены сверху вниз, ток направлен по стрелке (от учителя). Таким образом, можно сделать вывод о взаимосвязи трех вышеуказанных направлений: все три направления взаимно перпендикулярны.

Такая взаимосвязь направлений характерна для левой руки или, как говорят физики, для левой симметрии. Если левую руку расположить таким образом, что четыре пальца ее показывают направление течения тока в проводнике (от плюса к минусу), при этом кисть развернуть так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, то отогнутый на  палец левой руки покажет направление действия силы (рис. 17). Сформулированное нами правило называется правилом левой руки.

Рис. 17. Правило левой руки

Итак, мы выяснили взаимосвязь между тремя направлениями: направлением тока в проводнике, направлением линий магнитного поля, или вектором магнитной индукции, и направлением силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током. Эти три направления связаны правилом левой руки. Но сила, как векторная величина, кроме направления характеризуется и численным значением.

 

Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током

 

 

 

Рис. 18. Андре Мари Ампер (1775–1836)

От чего же зависит величина силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током? Проведя серию экспериментов, Ампер (рис. 18) установил, что величина силы, которая действует со стороны магнитного поля на проводник с током, прямо пропорциональна величине тока, протекающего внутри проводника:

Кроме того, Ампер заметил, что эта же величина силы прямо пропорциональна длине той части проводника, которая находится в магнитном поле:

То есть чем длиннее брать проводник при таком же самом значении тока, тем большая сила со стороны магнитного поля на него действует. Воспользуемся одним математическим правилом: если одна величина пропорциональна двум другим, то она будет пропорциональна их произведению:

То есть величина силы прямо пропорциональна произведению тока на длину части проводника в магнитном поле. Теперь обратим внимание, что размерность силы – ньютон, размерность тока – ампер, размерность длины – метр. Для того чтобы поставить знак равенства между величинами, нам нужно добавить размерность магнитной индукции , следовательно, нужно правую часть умножить на модуль магнитной индукции:

Последнее, что осталось, – это учесть зависимость направления действия силы от взаимного направления тока и вектора магнитной индукции.

Если расположить проводник с током в магнитном поле так, чтобы направление тока совпало с направлением вектора индукции магнитного поля (рис. 19), то при пропускании тока через проводник последний практически не реагирует.

Рис. 19. Направление тока совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля

Если же расположить проводник так, чтобы направление тока было перпендикулярно направлению вектора магнитной индукции, то проводник максимально сильно втягивается в пространство между полюсами магнита (рис. 20).

Рис. 20. Направление тока перпендикулярно направлению вектора магнитной индукции

Итак, когда угол между двумя направлениями (между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока) равен 0 (рис. 21), то сила действия магнитного поля на проводник с током равна 0.

Рис. 21. Угол между направлениями равен

Когда этот угол равен  (рис. 22), то сила действия магнитного поля на проводник с током максимальна.

Рис. 22. Сила действия магнитного поля на проводник максимальна

Тригонометрическая функция, удовлетворяющая вышеназванным условиям, – это синус угла:

– угол между направлением тока и направлением вектора магнитной индукции:

Тогда можно сформулировать следующее утверждение: величина силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, численно равна произведению модуля магнитной индукции на длину элемента проводника, помещенного в магнитное поле, и на величину тока в проводнике, а также пропорциональна синусу угла между направлением тока и направлением вектора магнитной индукции.

Направление же силы определяется по правилу левой руки.

Ампер провел много опытов по определению характера действия силы со стороны магнитного поля на проводник с током. Поэтому введенная им в рассмотрение сила действия со стороны магнитного поля на проводник с током по праву носит название силы Ампера. Открытие силы Ампера позволит нам ответить на вышеизложенные вопросы.

Задание. Почему два проводника с током притягиваются, если токи направлены в одну сторону? На рис. 3 обозначено направление токов в проводниках. Линии магнитной индукции первого проводника направлены так, как показано на рис. 23 (можно определить по правилу правой руки или правого винта).

Рис. 23. Направление линий магнитной индукции и силы Ампера

Это магнитное поле действует на второй проводник, возникает сила Ампера. Ее направление можно определить по правилу левой руки.

Задание. Почему виток с током вращается в магнитном поле (рис. 2)? На проводник с током, образующий рамку, в магнитном поле будет действовать сила Ампера. Ее направление можно узнать, применив правило левой руки: если пальцы будут указывать направление тока, а линии магнитной индукции будут входить в ладонь, то получится, что большой палец указывает нам направление действия силы на части рамки. Для правой части рамки сила действует от наблюдателя, а для левой части рамки – к наблюдателю. Под действием этих сил рамка вращается.

 

Список литературы

1. Соколович Ю. А., Богданова Г. С. Физика: Справочник с примерами решения задач. 2-е издание, передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
2. Касьянов В. А. Физика 11 кл. учебник для общеобразоват. учреждений. 4-е изд. – М.: Дрофа, 2004.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «kaf-fiz-1586.narod.ru» (Источник)
2. Интернет- портал объединения учителей физики Санкт-Петербурга (Источник) 
3. Интернет- портал «sernam.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Дайте определение силы Ампера.
2. Сформулируйте правило левой руки. Для чего оно предназначено?

 

2.2.5 Магнитное взаимодействие

Атомно-силовой микроскоп может использоваться для исследования магнитных полей на поверхности образца. Такие методики объединяются под названием МСМ (магнитно-силовая микроскопия). В них используются специальные кантилеверы, которые покрыты магнитной пленкой. При взаимодействии с магнитным полем образца такой кантилевер отклоняется. Могут существовать следующие типы кантилеверов: диамагнитные, парамагнитные [

1], суперпарамагнитные [2] и ферромагнитные (магнитожесткие [3] и магнитомягкие [4]).

Здесь мы кратко напомним об этих трех типах магнетиков, рассмотрев диамагнетизм, парамагнетизм и ферромагнетизм на феноменологическом уровне. Заинтересованных же отошлем к более серьезной литературе, например, [5, 6, 7].

Магнитные свойства вещества описываются вектором намагниченности . Его связь с напряженностью магнитного поля задается формулой [8,9]:

(1)

где – магнитная восприимчивость вещества.

В свою очередь, напряженность магнитного поля связана с вектором магнитной индукции и вектором намагничивания следующим образом:

(2)

Подставляя (1) в (2), получим:

(3)

где – магнитная проницаемость вещества. Таким образом, магнитные свойства вещества описываются одним независимым параметром – или .

Диа- и парамагнетизм.

Атомы многих веществ не имеют постоянных магнитных моментов, или, вернее, все спиновые и орбитальные магнитные моменты внутри атома уравновешены так, что суммарный магнитный момент равен нулю. Если наложить магнитное поле, то внутри атома будут генерироваться слабые дополнительные токи. В соответствии с законом Ленца они будут индицироваться так, чтобы уменьшить магнитное поле, и наведенный магнитный момент атомов направлен

навстречу магнитному полю. Таков механизм диамагнетизма.

Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость для диамагнетиков:

(4)

(5)

где – число атомов в единице объема, – число электронов в атоме, и – заряд и масса электрона, – скорость света, – средний квадрат расстояния электрона до ядра. Энергия теплового движения слишком мала, чтобы изменить внутреннее (квантованное) состояние атома. Поэтому для диамагнетиков и не должны зависеть от температуры. Обратим внимание, что и, тем самым, .

К диамагнетикам относятся, например, кислород, алюминий, платина, хлористое железо – , благородные газы и т.д.

Однако существуют такие вещества, атомы которых обладают магнитным моментом, спиновым или орбитальным. Таким образом, кроме диамагнитного эффекта (а он всегда присутствует) есть возможность выстраивания индивидуальных атомных моментов в одном направлении. Магнитные моменты ориентируются в направлении магнитного поля, усиливая его.

Парамагнетизм, вообще говоря, довольно слаб, потому что выстраивающие силы относительно малы по сравнению с силами теплового движения, которые стараются разрушить упорядочивание. Отсюда следует, что парамагнетизм особо чувствителен к температуре. Эффект парамагнетизма тем сильнее, чем ниже температура.

Пусть – магнитный момент атома, – магнитная индукция, – число атомов в единице объема, – константа Больцмана, – температура. Тогда для парамагнетиков в слабых полях – , когда зависимость вектора намагничивания от напряженности магнитного поля линейна, магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость равны:

(6)

(7)

Обратно пропорциональная зависимость восприимчивости от абсолютной температуры (6) носит название закона Кюри. Заметим, что для парамагнетиков и, тем самым, .

В сильных полях намагничивание приходит в состояние насыщение, когда все магнитные моменты устанавливаются параллельно полю:

(8)

Так как диамагнетизм проявляется во всех веществах, он частично или полностью компенсирует парамагнетизм за счет противоположного по знаку вклада в восприимчивость. Поэтому для материалов с атомами, имеющими магнитный момент, можно говорить лишь о преобладании диа- или парамагнитных свойств в веществе, причем их баланс зависит от температуры. К парамагнетикам относятся, например, азот, углекислота, вода, серебро, висмут и т.д.

Ферромагнетизм.

В ферромагнетиках эффект упорядочения магнитных моментов проявляется во много раз сильнее, чем в диа- и парамагнетиках. Ферромагнетизм определяется коллективным взаимодействием атомных магнитных моментов, находящимися в состоянии с нарушенной симметрией (фазовый переход второго рода) и образующих магнитные домены. Ферромагнетиками называются тела, которые могут обладать спонтанной намагниченностью, то есть намагничены уже в отсутствие магнитного поля. Типичными представителями ферромагнетиков являются переходные металлы: железо, кобальт, никель и многие их сплавы. Ферромагнетизмом обладают некоторые редкоземельные элементы (гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, туллий).

Характерной особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость между и или между и . Характер этой зависимости представлен на рис. 1 и 2.

Рис. 1.  Зависимость намагничивания от
напряженности магнитного поля.

Рис. 2.  Зависимость магнитной индукции от
напряженности магнитного поля.

По мере возрастания намагниченность сначала быстро увеличивается, а затем приходит к насыщению и остается практически постоянной: (насыщение), то есть кривая переходит в горизонтальную прямую. Магнитная индукция также растет с увеличением поля , а в состоянии насыщения , то есть кривая переходит в прямую, наклоненную под углом (если и откладывать на осях координат в одинаковом масштабе).

Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость уже зависят не только от свойств вещества и температуры, как у диа- и парамагнетиков, а являются функциями напряженности поля и, более того, определяется его историей.

Восприимчивость и проницаемость сначала возрастают с , затем проходят через максимум, и, наконец, в сильных полях, когда достигнуто насыщение, стремится к единице (рис. 3), а – к нулю.

Рис. 3.  Зависимость магнитной восприимчивости от напряженности магнитного поля.

Значения в максимуме у большинства ферромагнетиков при обычных температурах составляют многие сотни и тысячи единиц.

Вторая характерная особенность ферромагнетиков состоит в том, что для них зависимость от или от не однозначна, а определяется предшествующей историей намагничивания ферромагнитного образца. Это явление называется магнитным гистерезисом. Изображенная на рисунке 4 замкнутая кривая называется петлей гистерезиса, а кривая – предельной (наибольшей) петлей гистерезиса.

Рис. 4.  Петля гистерезиса.

При индукция не обращается в нуль, а изображается отрезком . Ему соответствует остаточное намагничивание . С наличием такого остаточного намагничивания связано существование постоянных магнитов. Для того, чтобы размагнитить образец, надо довести кривую размагничивания до точки или . Этим точкам соответствует магнитное поле . Оно называется коэрцитивной силой ферромагнетика. Значения остаточного намагничивания и коэрцитивной силы для разных ферромагнетиков меняются в широких пределах. Для мягкого железа петля гистерезиса узкая (коэрцитивная сила мала), для стали и всех материалов, идущих на изготовление магнитов, – широкая (коэрцитивная сила велика). Например, для кобальта и его сплавов, которые используются для покрытия магнитожестких кантилеверов, характерная величина коэрцитивной силы составляет 400 эрстед. С другой стороны, магнитное поле зонда в целом ряде случаев может оказаться слишком большим, что может приводить к искажению или даже разрушению исследуемой магнитной структуры. Для этих целей используют зонды с покрытием – . Совершенно такой же характер имеет петля гистерезиса, когда по вертикальной оси откладывается не индукция , а намагничивание .

---

Выводы.

• Вещества по их поведению в магнитном поле подразделяют на три основных типа: диамагнитные, парамагнитные и ферромагнитные.
• Диамагнитные свойства проявляют все вещества. Суть эффекта – в возникновении индуцированных внутриатомных токов, которые уменьшают индукцию магнитного поля в веществе. Магнитная восприимчивость диамагнетиков отрицательна.
• Парамагнитные свойства могут проявлять вещества с атомами, имеющими магнитный момент. Магнитная восприимчивость при этом положительна и уменьшается с ростом температуры.
• Ферромагнетизм является очень сильным коллективным эффектом. Причем магнитная восприимчивость и проницаемость вещества становится неоднозначными функциями поля и зависят от его истории. Характерные ферромагнитные явления – спонтанная намагниченность и гистерезис намагниченности. Коэрцитивная сила магнитожестких кантилеверов (с кобальтовым покрытием) составляет порядка 400 эрстед, а магнитомягких (с покрытием ) – менее 10 эрстед.

Литература.

1. O. Teschke, M.U. Kleinke, M.E.R. Dotto et al, J. Appl. Phys. 94, 1 (2003).
2. P.F. Hopkins, J. Moreland, S.S. Malhotra et al, J. Appl. Phys. 79, 6448 (1996).
3. H.J. Mamin, D. Rugar, P. Gruetter et al, Bull. Am. Phys. Soc. 35, 420 (1990).
4. P. Grutter, D. Rugar, H.J. Mamin et al, Appl. Phys. Lett. 57, 1820 (1990).
5. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. I часть. – М.: Мир, 1987. – 302 с.;
   Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. II часть. – М.: Мир, 1987. – 420 с.
6. Уайт Р.М. Квантовая теория магнетизма. – М.: Мир, 1972.
7. Дорфман Я.Г. Диамагнетизм и химическая связь. – М.: Физматгиз, 1961.
8. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике: Физика сплошных сред. – М.: Мир, 1977. – 300 с.
9. Сивухин Д.В. Курс общей физики: Электричество. – М.: Наука, 1983. – 687 с.

Исследование воздействия магнитного поля вблизи линий электропередачи

Защита от электромагнитного излучения — это важная составляющая мер обеспечения здоровых условий жизни для населения. Во всем мире существуют правила и нормы, задающие допустимые пределы и критерии на воздействие магнитного поля. Однако определение этих допустимых пределов является предметом научных и инженерных дискуссий на протяжении десятилетий. Численное моделирование играет решающую роль в процессе проектирования электрической инфраструктуры — и даже в разработке законодательных норм, регламентирующих её функционирование и использование.

Изучение воздействия магнитных полей низкого уровня интенсивности

Воздействие магнитных полей не является новым явлением; на самом деле оно изучается и обсуждается десятилетиями. Как именно магнитные поля влияют на нас?

Как отмечается в докладе Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ) за 2016 год, “Низкочастотные электрические поля влияют на организм человека так же, как они влияют на любой другой материал, состоящий из заряженных частиц”. Проще говоря, электрические поля вызывают циркулирующие токи внутри тела, и сила этих токов зависит от силы магнитных полей вне тела.

Как магнитные поля от линий электропередачи влияют на находящихся поблизости людей? Изображение из Unsplash.

Чрезвычайно большие токи могут, по сути, стимулировать наши нервы или мышцы или даже вызывать выделение тепла. Однако до сих пор ученые не нашли доказательств того, что низкоуровневые поля, генерируемые системами, работающими в пределах требуемых пределов, являются вредными.

Несмотря на минимальный риск причинения вреда, существуют стандарты, гарантирующие, что индуцированные токи в организме человека не вызывают негативных последствий. Высокая плотность тока в организме человека может, например, привести к следующим последствиям:

Диапазон (в mA/m2)	Эффект
10–20	Мигающие огоньки (фосфины) в уголках глаз
10–100	Влияет на функции мозга
1000	Серьезно влияет на работу сердца

Такие организации, как Международный комитет по защите от неионизирующих излучений (МКЗНИ) указывает 0. 2–0.4 мкТл как нормальный уровень воздействия, который характерен для типового жилого дома или офиса, в то время как магнитная индукции ближе к 100 мкТл считается повышенным уровнем. Что происходит при длительном воздействии магнитного поля любого обозначенного уровня?

Все, от осложнений беременности и депрессии до катаракты и головных болей, упоминается в следованиях как потенциальный риск длительного воздействия электромагнитных полей. Исследования 1970-х годов утверждали, что детская лейкемия может развиться при воздействии магнитных полей низкого уровня интенсивностия, но дальнейшие исследования показали, что это предположение не имеет доказательной базы . С тех пор было проведено множество исследований на тему того, как низкоуровневое воздействие магнитных полей может повлиять на наше здоровье.

Из-за ограниченных исследовательских заключений принятые стандарты по воздействию магнитного поля не имеют жестких числовых ограничений. Вместо этого введенные стандарты действуют в качестве меры предосторожности, которой должны придерживаться правительства (муниципальные и государственные) и заинтересованные стороны проекта, такие как застройщики и промышленники.

Конкретный кейс в Швеции

В Швеции власти всё больше и больше обращают внимание на проблему воздействия электромагнитного поля низкого уровня интенсивности. В последние 20 лет они стали чаще заниматься этим вопросом. Шведское управление по радиационной безопасности вынесло следующие рекомендации в ответ на опасения и риски:

• Разместите новые линии электропередачи и электроустановки таким образом, чтобы воздействие магнитных полей было ограниченным
• Избегайте размещения новых домов и школ вблизи электроустановок с магнитными полями высокой интенсивности
• Ограничьте поля, которые сильно отклоняются от нормального уровня для домов, школ, дошкольных учреждений и офисов
• Реализуйте эти меры с разумными материальными затратами

В соответствии с этими рекомендациями застройщикам необходимо оценить уровни воздействия магнитного поля на запланированных объектах проекта, чтобы получить необходимые разрешения. Для этого они часто обращаются к таким консалтинговым компаниям, как Sweco.

Sweco, один из крупнейших технических консультантов в Швеции и Евросоюзе, активно участвует в проектах по оценке воздействия магнитного поля. Густав Холмквист, руководитель проектов энергетического департамента Sweco с 2006 года, недавно работал над конкретным проектом, в котором подрядчик хотел построить сооружение вблизи нескольких силовых линий электропередачи, работающих на 400 кВ/50 Гц, и параллельной железнодорожной линией передачи, работающей на 16.7 Гц.

Схема двух параллельных линий передачи. Изображения предоставлены компанией Sweco.

Клиент Sweco хотел узнать: “Каково влияние линий передачи, расположенных параллельно и работающих на разных частотах?” Инженеры Sweco в свою очередь решили не только ответить на конкретный вопрос клиента, но и помочь ему визуализировать и понять результаты. Для этого они применили инструменты численного моделирования…

Использование численного моделирования для исследования воздействия магнитного поля

Были использованы CAD-проекты двух линий электропередачи. Для анализа низкочастотных магнитных полей параллельных линий передачи Холмквист смоделировал обе линии передачи на разных частотах в 3D-постановке в программном обеспечении COMSOL Multiphysics®. Было важно учесть высоту и подвеску кабелей линии электропередачи в 3D.

Холмквист также импортировал в модель 3D-топологию всей местности около линий электропередачи. Таким образом, он смог увидеть влияние различных частот, то как они взаимодействуют друг с другом и как топология местности влияет на магнитные поля. “Обычно расчеты выполняются для фиксированной высоты ниже линии передачи”, – отмечает Холмквист. “Включение в модель полной топологии местности дает более точный и развернутый ответ”.

3D-модель линий электропередачи и окружающей местности, а также представление расчётной области. Изображения предоставлены компанией Sweco.

Включение детального представления местности сделало модель довольно большой: не только сама топология была сложной и изрезанной но и общая площадь составила более километра в длину и полукилометра в ширину. Тем не менее, требовались точные вычисление в частотной области в каждой точке пространства. Грамотно использовав функцию Assembly в COMSOL Multiphysics, Холмквист смог сократить число сеточных элементов с 4.5 миллионов до 0.5 миллиона.

После выполнения нескольких исследований на разных частотах Холмквист использовал операцию General Extrusion, чтобы отобразить суммарное поле, полученное в рамках исследований в частотной области, на карте местности. Таким образом, он смог показать клиентам, как именно магнитные поля двух линий передачи взаимодействуют друг с другом, и как топология окружающей местности влияет на воздействие магнитного поля на людей поблизости.

Воздействие магнитного поля вдоль линий передачи. Изображение предоставлено компанией Sweco.

Новые возможности

Преимущества моделирования для такого типа проектов стали очевидны Холмквисту после того, как он показал результаты заказчику. “Клиент был очень заинтересован в том, как мы провели анализ”, – говорит Холмквист. “Они не видели магнитных полей, вычисленных с таким уровнем детализации, только аналитические функции, которые становятся неточными для неидеальных случаев”. Он высоко оценивает возможности по постобработке в программном обеспечении COMSOL® и позиционирует их как мощный способ показать клиентам полученные результаты.

Холмквист видит огромный потенциал для использования моделирования в области энергетики. “Мы можем продолжить исследования для областей с высокой интенсивностью, чтобы исследовать методы уменьшения магнитного поля, например, экранирование”, – говорит Холмквист.

Исследуя уровни воздействия окружающих нас электромагнитных полей, независимо от того, находится ли это воздействие на незначительном или небезопасном уровне, мы, по крайней мере, будем знать, чего ожидать, и не будем, за неимением лучшего слова, шокированы (игра слов на английском — использовано слово “shocked”).

Дополнительные материалы

• Узнайте больше о компании Sweco на их веб-сайте или свяжитесь с Густавом Холмквистом для обсуждения технических вопросов
• Узнайте больше о глобальных исследованиях воздействия магнитного поля:
  • WHO
  • CDC

Физика Магнитное поле катушки с током.

Электромагниты и их применение

Материалы к уроку

Конспект урока

Если прямой проводник свернуть в виде окружности, то можно исследовать магнитное поле кругового тока.
Проведем опыт (1). Провод в виде окружности пропустим через картон. Поместим несколько свободных магнитных стрелок на поверхности картона в различных точках. Включим ток и видим, что магнитные стрелочки в центре витка показывают направление одинаковое, а  вне витка с обеих сторон в другую сторону.
Теперь повторим опыт (2), поменяв полюса, а значит и направление тока. Видим, что магнитные стрелочки изменили направление на всей поверхности картона на 180 градусов.
Сделаем вывод: магнитные линии кругового тока то же зависят от направления тока в проводнике.
Проведем опыт 3. Уберем магнитные стрелочки, включим электрический ток и осторожно по всей поверхности картона насыплем мелкие железные опилки У нас получилась картина магнитных силовых линий, которая называется «спектр магнитного поля кругового тока» . Как же в этом случае определить направление магнитных силовых линий? Вновь применим правило буравчика, но в применении к круговому току. Если направление вращения ручки буравчика совместить с направлением тока в круговом проводнике, то направление поступательного движения буравчика будет совпадать с направлением магнитных силовых линий.
Рассмотрим несколько случаев.
1.    Плоскость витка лежит в плоскости листа, ток по витку идет по часовой стрелке. Вращая виток по часовой стрелке, мы определяем, что магнитные силовые линии в центре витка направлены внутрь витка «от нас». Это условно обозначается знаком «+» (плюс). Т.е. в центре витка мы ставим «+»
2.    Плоскость витка лежит в плоскости листа, ток по витку идет против часовой стрелки. Вращая виток против часовой стрелки, мы определяем, что магнитные силовые линии выходят из цента витка «к нам». Это условно обозначается «∙» (точкой). Т.е. в центе витка мы должны поставить  точку («∙»).
Если прямой проводник намотать на цилиндр, то получится катушка с током, или соленоид.
Проведем опыт (4.) Используем для опыта ту же цепь, только провод теперь пропущен через картон в виде катушки. Расположим несколько свободных магнитных стрелок на плоскости картона в различных точках: у обоих концов катушки, внутри катушки и с обеих сторон снаружи. Пусть катушка расположена горизонтально (в направлении «слева – направо»). Включим цепь и обнаружим, что магнитные стрелки, расположенные по оси катушки, показывают одно направление. Отмечаем, что у правого конца катушки стрелка показывает, что силовые линии входят в катушку, значит –это «южный полюс» ( S), а в левом магнитная стрелка показывает, что выходят, это «северный полюс» (N). Снаружи катушки магнитные стрелки имеют противоположное направление по сравнению с направлением внутри катушки.
Проведем опыт (5). В этой же цепи поменяем направление тока. Обнаружим, что направление всех магнитных стрелок изменилось, они повернулись на 180 градусов. Делаем вывод: направление магнитных силовых линий зависит от направления тока по виткам катушки.
Проведем опыт (6). Уберем магнитные стрелки и включим цепь. Осторожно «посолим железными опилками» картон внутри и снаружи катушки. Получим картину магнитных силовых линий, которая называется «спектр магнитного поля катушки с током»
А как же определить направление магнитных силовых линий? Направление магнитных силовых линий определяется по правилу буравчика так же, как и для витка с током: Если направление вращения ручки буравчика совместить с направлением тока в витках, то направление поступательного движения совпадет с направлением магнитных силовых линий внутри соленоида. Магнитное поле соленоида похоже на магнитное поле постоянного полосового магнита. Тот конец катушки, из которого выходят силовые линии, будет «северным полюсом» (N), а тот, в который входят силовые линии – «южным полюсом» (S).
После открытия Ганса Эрстеда многие ученые стали повторять его опыты, придумывая новые, чтобы обнаружить доказательства связи  электричества и магнетизма. Французский ученый Доминик Араго поместил железный стержень, в стеклянную трубку и поверх нее намотал медный провод, по которому пропустил электрический ток. Как только Араго замкнул электрическую цепь, стержень из железа так сильно намагнитился, что притянул к себе железные ключи. Чтобы оторвать ключи, пришлось приложить значительные усилия.  Когда   Араго отключил источник тока, то ключи отвалились сами! Так Араго изобрел первый электромагнит. Современные электромагниты состоят из трех частей: обмотки, сердечника и якоря. Провода помещают в специальную оболочку, которая играет роль изолятора. Проводом наматывают многослойную катушку – обмотку электромагнита. В качестве сердечника используют стальной стержень. Пластина, которая притягивается к сердечнику, называется якорем. Электромагниты получили широкое применение в промышленности благодаря их свойствам: они быстро размагничиваются при выключении тока; их можно изготавливать самых различных размеров в зависимости от назначения; меняя силу тока можно регулировать магнитное действие электромагнита. Электромагниты применяются на заводах для переноски изделий из стали и чугуна. Эти магниты имеют большую подъемную силу. Применяются электромагниты также  в электрическом звонке, электромагнитных сепараторах, в микрофонах, в телефонах. Сегодня мы рассмотрели магнитное поле кругового тока, катушки с током. Познакомились с электромагнитами, их применением в промышленности и в народном хозяйстве.
 

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитора

Вопрос: От чего зависит магнитное действие катушки с током? Ответ на вопрос – iq2u

Точные науки Физика

Ответ:

От числа витков, силы тока и наличия или отсутствия железного сердечника.

Проверь себя, пройди тесты онлайн

Физика. Проверочный тест к 11 классу

Статистика теста

0–25% 670 человек
26–50% 476 человек
51–75% 22 человека
76–100% 1 человек

0% Пройти тест

Физика. Источники света. 8 класс

Статистика теста

0–25% 1431 человек
26–50% 1561 человек
51–75% 1648 человек
76–100% 4565 человек

0% Пройти тест

Физика. Силы в механике. Вес. 9 класс

Статистика теста

0–25% 2835 человек
26–50% 1190 человек
51–75% 891 человек
76–100% 843 человека

0% Пройти тест

Зависимость силы тока от напряжения. 8 класс

Статистика теста

0–25% 688 человек
26–50% 1421 человек
51–75% 1522 человека
76–100% 1036 человек

0% Пройти тест

все тесты

Что? Где? Когда? Эрудит онлайн: ответы на вопросы:

• Какое еще действие, кроме теплового и химического, оказывает электрический ток?
• Шекли "Запах мысли")?”> Из-за чего птица проявила интерес к Кливи (Р. Шекли “Запах мысли”)?
• Какому стилю речи соответствует речевая ситуация: 1 – много, о/о, воздействие?
• В словах какого ряда на месте пропусков ничего не пишется?
• Отчего на Земле бывают лето и зима?
• В каком выражении последним действием будет умножение?
• Р.Р. Толкина «Хоббит, или Туда и обратно»?”> Чего хотел Бильбо Бэггинс, герой сказки Дж.Р.Р. Толкина «Хоббит, или Туда и обратно»?
• От чего обещают избавить некоторые шампуни?
• Чего нельзя делать перед сном?
• За счет чего человек видит в сумеречное время суток?
• От чего зависит прирост популяции животных?
• Вокруг каких зарядов – неподвижных или движущихся – существует электрическое поле, вокруг каких – магнитное поле?
• Как сопротивление проводника зависит от его длины?
• От чего «свободно» ело при свободном падении?
• П. Пстафьева "Царь-рыба"?”> Где происходит действие произведения В.П. Пстафьева “Царь-рыба”?

новые данные, новые сомнения • Светлана Ястребова • Новости науки на «Элементах» • Нейробиология, Физика

Сообщения об обнаружении магниторецепции у людей неизменно вызывают большой интерес не только среди ученых, но и в СМИ. Так было и на этот раз, когда в марте вышла статья американо-японской группы ученых под руководством Джозефа Киршвинка. Однако наличие этого «шестого чувства» у Homo sapiens надо еще подтвердить, а также выявить его механизмы. В связи с этим полезно вспомнить, что вообще мы знаем о магниторецепции и видел ли хоть кто-то обеспечивающие ее клетки. Исследований на эти темы достаточно, и полученные данные часто противоречат друг другу — но тем интереснее.

Магнитное поле и человек

Джозеф Киршвинк (Joseph Kirschvink) из Калифорнийского технологического института известен как автор гипотезы «Земли-снежка» (см.  статью Сергея Ястребова Кислородная революция и Земля-снежок), согласно которой поверхность нашей планеты несколько раз покрывалась льдом, что приводило к экологическим катастрофам. Менее известна другая заслуга Киршвинка: он открыл магнитофоссилии (см. Magnetofossil) — ископаемые остатки жизнедеятельности бактерий, чувствительных к магнитному полю Земли. Такие микроорганизмы (это не систематическая группа, а скорее «кружок по интересам») существуют и сейчас. Они определяют направление линий магнитного поля, то есть способны к магниторецепции, благодаря кристаллам магнетита (Fe₃O₄) внутри их клеток. Самым старым ныне известным магнитофоссилиям почти два миллиарда лет.

Помимо магниторецепции бактерии и другие организмы, известные примерно с того же времени и находящиеся приблизительно на том же уровне организации, обладают химическим чувством, термо-, фото- и механорецепцией. Аналогичные чувства — зрение, обоняние, ощущение температуры, прикосновений и т. д. — есть и у людей. Логично (по крайней мере, для Киршвинка) предположить, что столь древняя способность, как магнитное чувство, тоже сохранилась у Homo sapiens. Первые эксперименты по поиску магниторецепции у людей Киршвинк начал еще несколько лет назад (см. об этом: E. Hand, 2016. Maverick scientist thinks he has discovered a magnetic sixth sense in humans), и вот теперь вышла полноценная научная статья в рецензируемом журнале eNeuro (C. X. Wang et al., 2019. Transduction of the Geomagnetic Field as Evidenced from Alpha-band Activity in the Human Brain).

Для проверки предположения о магнитном чувстве у людей в одном из подземных помещений лаборатории Киршвинка собрали систему из катушек Мерритта (см. Merritt coil), ориентированных в одном из трех направлений (верх — низ, север — юг, восток — запад) и генерирующих магнитное поле с индукцией 35 микротесла (рис. 2). Это примерно соответствует величине индукции магнитного поля Земли в месте проведения экспериментов — городе Пасадена, штат Калифорния. От внешних электромагнитных полей установка была экранирована, так как располагалась в клетке Фарадея. Все предметы внутри клетки, кроме системы катушек и установки для регистрации электроэнцефалограммы (ЭЭГ), не могли намагничиваться: пол сделали из фанеры, а в деревянном кресле, на котором сидел испытуемый, содержащие железо болты заменили на латунные. «Комната» также была звукоизолирована, а испытуемые большую часть времени должны были сидеть, закрыв глаза.

Горизонтальную и вертикальную составляющие магнитного поля и направление его линий можно было менять. По предположению Киршвинка, детекция каких-то из этих изменений должна была отражаться на электрической активности головного мозга испытуемых, но совершенно не обязана достигать сознания. Простой способ оценить упомянутую электрическую активность — снять ЭЭГ у испытуемого, когда магнитное поле вокруг него неизменно и когда что-то происходит с различными составляющими его индукции.

Если поле постоянное, а не переменное, оно не должно оказать влияния на показания ЭЭГ-электродов. Этим фактом и воспользовался Киршвинк. Его испытуемые — 34 добровольца в возрасте от 18 до 68 лет (европейского, азиатского и африканского происхождения, а также коренные американцы) — по 7 минут сидели с закрытыми глазами в экспериментальном помещении. Никакого конкретного задания у них в этот момент не было. В течение семи минут направление вращения горизонтальной компоненты магнитного поля менялось около ста раз: его вектор время от времени разворачивали по часовой стрелке или против нее. Нечто похожее (в смысле воздействия магнитного поля на мозг — если оно есть) происходит при повороте головы влево или вправо, но в данном случае испытуемые не двигались. Направление вертикального вращения не меняли, так как серия предварительных экспериментов показала: электрическая активность мозга испытуемых из Северного полушария от этого никак не меняется. Поле все время было ориентировано вниз под углом 60–75° к горизонтали. Такое направление соответствовало направлению линий геомагнитного поля в регионах, где родились и выросли испытуемые. Были и моменты, когда искусственное магнитное поле отключали — в качестве контроля. Семиминутные испытания повторяли неоднократно в разные дни.

Во время спокойного бодрствования с закрытыми глазами, когда сознание не занято ничем конкретным, у многих людей на электроэнцефалограмме проявляется альфа-ритм — колебания частотой 8–13 герц и амплитудой 5–100 микровольт. Когда человек сосредотачивает внимание на какой-то поступающей информации, альфа-ритм сменяется другими, при которых электрическая активность клеток мозга менее синхронизирована, — например, бета-ритмом. Соответственно, если Homo sapiens обладают магниторецепцией, амплитуда альфа-колебаний должна падать в момент смены направления вращения магнитного поля.

Такая реакция действительно наблюдалась (на рис. 3 это можно увидеть после первой и третьей розовых линий, также это видно на видеоролике, прилагающемся к исследованию), но лишь у части испытуемых и только тогда, когда поле начинало вращаться против часовой стрелки. Но когда исследователи спрашивали их, чувствовали ли они какие-то изменения, и даже когда в отдельной серии опытов просили ради этого открыть глаза и специально следить за необычными ощущениями, люди давали отрицательный ответ. Иными словами, если магниторецепция у людей и есть, то с сознанием она не связана, а способности к ней у разных людей проявляются в разной степени.

Разумеется, магнитное чувство у людей искали и до того (см., например, A. Sastre et al., 2002. Human EEG responses to controlled alterations of the Earth’s magnetic field, а также новость Возможно, люди способны ощущать магнитное поле, «Элементы», 11.07.2011), но не находили. Киршвинк и соавторы считают, что дело в силе магнитных полей, использованных в опытах его предшественников: она в два и более раз превышала силу магнитного поля Земли. У многих ориентирующихся по геомагнитному полю животных магнитная чувствительность просто отключается, если величина индукции превышает некий допустимый предел, и это позволяет таким животным не заблудиться, а переключиться на ориентацию по другим системам координат. К тому же 15–20 лет назад данные электроэнцефалограмм обрабатывали другими методами, не способными выявить некоторые важные для исследования магниторецепции отличия. Киршвинк попробовал применить эти старые методы к своим новым данным, и свидетельства снижения амплитуды ЭЭГ при перемене направления вращения поля исчезли.

Железный компас?

Если результаты Киршвинка смогут воспроизвести другие коллективы, наличие магниторецепции у человека можно будет считать установленным. Но никуда не денется вопрос, что именно обеспечивает восприятие магнитных полей человеком. До самого недавнего времени считали, что магнитной чувствительностью обладают белки криптохромы, так как экспрессия человеческих версий этих молекул в теле дрозофил (а свои криптохромы у них при этом не работали) приводила к тому, что эти мушки различали сильно и слабо намагниченные части лабиринта (см. Возможно, люди способны ощущать магнитное поле, «Элементы», 11.07.2011). Однако результаты исследования Киршвинка свидетельствуют о том, что криптохромы тут ни при чем. Эти белки не чувствительны к полярности магнитного поля, а в проведенных экспериментах она оказывала влияние на электрическую активность головного мозга испытуемых.

Помимо криптохромов чувствительность к магнитному полю может обеспечивать магнетит (Fe₃O₄), его мы упомянули в самом начале. Это ферромагнетик, то есть вещество, в котором магнитные моменты атомов упорядочены и в отсутствие заметного магнитного поля. Их направление зависит от полярности такого поля (если оно имеется). Киршвинк и соавторы предполагают, что именно магнетит обеспечивал изменение ЭЭГ испытуемых при наличии магнитного поля. Однако на данный момент рецепторных структур в теле человека, несущих магнетит, не нашли. Известно, что Fe₃O₄ в заметных количествах есть в мозжечке и в стволе мозга (см. S. A. Gilder et al., 2018. Distribution of magnetic remanence carriers in the human brain). Но это не рецепторы, и находятся они глубоко в толще тканей — в то время как магниточувствительные структуры логично было бы вынести ближе к поверхности, дабы повысить число доступных для их восприятия сигналов.

Впрочем, даже у организмов, которым давно и прочно приписали наличие магнитного чувства, не известно точное расположение магниторецепторов и их строение. Взять, например, голубей — птиц, в чьей способности находить дорогу по «магнитным координатам» никто не сомневается (см. новость Тройничный нерв играет определяющую роль в магнитной навигации птиц, «Элементы», 13.08.2018 и популярный синопсис У птичьего компаса обе стрелки синие к статье Д. А. Кишкинёв, Н. С. Чернецов, 2014. Магниторецепторные системы у птиц: обзор современных исследований). Долгое время считалось, что они делают это благодаря нескольким системам рецепторов и скоплений магниточувствительных молекул — видимо, криптохромам в сетчатке, клеткам с кристаллами магнетита в надклювье и еще каким-то структурам с кристаллами магнетита в лагене — конечном отрезке улитки внутреннего уха. Несколько исследований группы Фляйсснера и Вилчко (см., например, G. Fleissner et al., 2003. Ultrastructural analysis of a putative magnetoreceptor in the beak of homing pigeons) указывали на то, что в надклювье есть несколько групп богатых магнетитом клеток, каждая из которых связана со своей веточкой тройничного нерва. Наличие магниторецепторов в лагене выявили сравнительно недавно, в 2011 году, в лаборатории Дэвида Дикмана в Вашингтонском университете (L. Wu, J. D. Dickman, 2011. Magnetoreception in an Avian Brain in Part Mediated by Inner Ear Lagena).

Истинность обоих предположений подвергли сомнению сотрудники Дэвида Киза (David Keays) из Венского биоцентра. С помощью методов иммуногистохимии, молекулярной биологии и различных вариантов электронной микроскопии они пытались воспроизвести результаты Фляйсснера и Дикмана — и не смогли. В 2012 году в лаборатории Киза показали, что клетки с магнетитом в надклювье голубей не образуют никаких групп. Что еще интереснее, было установлено, что это вовсе не нервные клетки-рецепторы, а клетки иммунной системы — макрофаги (C. D. Treiber et al, 2012. Clusters of iron-rich cells in the upper beak of pigeons are macrophages not magnetosensitive neurons)! Вероятно, эти макрофаги активно поглощают и перерабатывают эритроциты, богатые железосодержащим белком гемоглобином, из-за чего в них самих накапливается железо. В принципе, обнаруженные группой Киза клетки могли бы фагоцитировать и магниторецепторы и поэтому содержать много железа, но эту версию пока никто не подтвердил.

Удар по магнетиту лагены был нанесен позже, в начале 2019 года (E. P. Malkemper et al., 2019. No evidence for a magnetite-based magnetoreceptor in the lagena of pigeons). На сей раз ученые из группы Киза изучали серии срезов внутреннего уха голубей с помощью рентгеновской флуоресцентной микроскопии (см. X-ray fluorescence) и трансмиссионной (просвечивающей) электронной микроскопии. Первая нужна была для выявления железа в лагене, вторая — в том числе для определения, где это железо находится: внутри клеток или вне их. Скоплений кристаллов магнетита не выявили ни в рецепторах лагены, ни в межклеточном пространстве, зато показали загрязнение образцов хромом и железом (рис. 4). Почти полное отсутствие железа в лагене голубей констатировали и за десятилетие до этого (то есть за пару лет до «открытия» магниточувствительности лагены), тогда применили масс-спектрометрию (Y.  Zhao et al., 2009. Analysis of magnetic elements in otoliths of the macula lagena in homing pigeons with inductively coupled plasma mass spectrometry). Словом, существование всех возможных магниточувствительных структур у таких известных «навигаторов», как голуби, до сих пор под вопросом.

Кто видел магниторецепторы?

Возникает вопрос: хотя бы у какого-нибудь животного уже удалось достоверно обнаружить магниторецепторы? Увы, пока нет. Большие надежды в этом плане подавал популярный лабораторный объект, круглый червь Caenorhabditis elegans. У этого животного в зрелом возрасте всегда 302 нейрона, и найти в таком количестве клеток магниторецепторы значительно проще, чем в сотнях миллионов птичьих нейронов. Кроме того, C. elegans — единственный организм, для которого известен полный коннектом — все связи, образуемые всеми нервными клетками между собой. То есть в целом уже понятно, чем занимается каждый из этих трехсот с небольшим нейронов.

Андрес Видаль-Гадеа (Andrés Vidal-Gadea) в 2015 году показал, что две клетки C.  elegans активируются, если на животное действует специально сгенерированное магнитное поле. Кроме того, червь роет вертикальные ходы в субстрате под определенным корректирующим углом к линиям поля, и этот угол зависит от того, как идут линии магнитного поля Земли на родине животного (см. A. Vidal-Gadea et al., 2015. Magnetosensitive neurons mediate geomagnetic orientation in Caenorhabditis elegans). Нейроны, которые Видаль-Гадеа заподозрил в магниторецепции, носят название AFD (Amphid neurons with finger-like (AfD) ciliated endings): один в левой части головы (AFDL), другой — в правой (AFDR). Ранее было известно, что они чувствительны к концентрации углекислого газа и температуре окружающей среды. Ученые проверили, как обращаются с магнитным полем C. elegans с мутациями в различных генах, активных в определенных чувствительных нейронах. Свое движение вниз в субстрате в поисках пищи с линиями магнитного поля не соотносили только животные с нарушениями экспрессии генов, активных лишь в AFD и более ни в каких других нейронах. Кроме того, в AFDL и AFDR повышалось содержание кальция при стимуляции магнитным полем, а в остальных нервных клетках — нет. Работу по обнаружению магниторецепторов у червя обнародовали еще на конференции Society for Neuroscience в 2013 году. Научную статью по ней хотели опубликовать в Nature, но по каким-то причинам не смогли. «Хватило» только на eLIFE, хороший научный журнал, но все-таки не настолько престижный.

Дэвид Киз и его сотрудники, в нашей истории уже не раз выступавшие в роли «разрушителей легенд», провел множество серий экспериментов в попытке воспроизвести результаты Видаля-Гадеа. Весной 2018 года были опубликованы итоги этих попыток (L. Landler et al., 2018. Comment on “Magnetosensitive neurons mediate geomagnetic orientation in Caenorhabditis elegans“). Поскольку AFD — терморецепторы и регистрируют колебания температуры в десятую долю градуса, австрийцы первым делом предположили, что эти нейроны ощущают не магнитные линии, а тепло, исходящее от генерирующих их катушек. Исследователи попробовали создавать магнитное поле точно такими же катушками, как у Видаля-Гадеа, но оборачивать эти катушки так, чтобы минимизировать распространение тепла от них. Выяснилось, что при дополнительной изоляции черви не ориентируются на линии магнитного поля и не приближаются к магнитам — и это несмотря на то, что поле в экспериментах было в 8000 раз мощнее, чем магнитное поле Земли. То есть такое сильное воздействие было бы сложно не заметить тем, кто реагирует на гораздо более скромные магнитные стимулы (при условии, что его система магниторецепции не отключается от таких зашкаливающих величин). Как-то учитывали эти линии в своих перемещениях только те животные, которых растили на среде с кристаллами магнетита — чего в природе, конечно, не бывает, а вот в результате лабораторного загрязнения такая обстановка может возникнуть.

На этом проблемы и оговорки не закончились. Киз подметил, что в исследовании группы Видаля-Гадеа для проверки направления рытья субстрата 50 червей запускали в один и тот же сосуд. Даже если животные не сталкивались друг с другом, они могли оставлять какие-то химические метки, влияющие на поведение следующих «испытуемых» — и заставляющие их рыть примерно в ту же сторону, что их предшественники. (Сам Киз использовал индивидуальный сосуд для каждого из полусотни своих C. elegans.) Наконец, нашлась несостыковка в поправках на линии магнитного поля Земли. По всей видимости, C. elegans не отличают верх от низа. В таком случае от угла наклона линий магнитного поля Земли к поверхности почвы зависит величина угла корректировки (рис. 5). Чем острее угол вхождения линий в землю (то есть чем ближе к экватору), тем больше должен быть угол корректировки. Поскольку разницы между верхом и низом для C. elegans нет, рядом с экватором в попытке углубиться в субстрат в половине случаев он будет, напротив, выползать на поверхность. А в высоких широтах величина угла корректировки может заставить животное двигаться как вниз, так и по горизонтали (опять же — куда не надо). Избежать этого можно, если ориентироваться на гравитационное поле Земли, то есть уметь различать верх и низ. Но в таком случае и завязанная на магниторецепции сложная система упреждения не нужна.

Интерес без «конфликта интересов»

Парадокс: магниторецепция у многих видов есть, и у человека, судя по последним данным, тоже может иметься. Исследований этого чувства немало. Однако чем больше их становится, тем будто бы сильнее всё запутывается: одни коллективы опровергают результаты других, открытия «закрываются»…

Эта «борьба» кажется утомительной — и одновременно очень интересной. Приятно, когда нет давления догм и когда каждый факт подвергается проверке. Изучение магниторецепции не относится к областям науки, влияющим на повседневную жизнь человека, и это прекрасно. Исследователи магнитного чувства могут (пока что, по крайней мере) не думать, как их открытия будут восприняты обществом, и познавать мир без оглядки на вольных и невольных недоброжелателей. Такой свободы хочется пожелать и всем остальным ученым.

Источник: Connie X. Wang, Isaac A. Hilburn, Daw-An Wu, Yuki Mizuhara, Christopher P. Cousté, Jacob N. H. Abrahams, Sam E. Bernstein, Ayumu Matani, Shinsuke Shimojo and Joseph L. Kirschvink. Transduction of the Geomagnetic Field as Evidenced from Alpha-band Activity in the Human Brain // eNeuro. 2019. DOI: 10.1523/ENEURO.0483-18.2019.

Светлана Ястребова

электромагнетизм | Определение, уравнения и факты

электрическое поле

Посмотреть все СМИ

Ключевые люди:

Майкл Фарадей Уильям Томсон, барон Кельвин Джеймс Клерк Максвелл Карл Фридрих Гаусс Дж.Дж. Томсон

Похожие темы:

электромагнитное излучение электричество Кулоновская сила магнитная сила электромагнитное поле

Просмотреть весь соответствующий контент →

Резюме

Прочтите краткий обзор этой темы

электромагнетизм , наука о заряде и силах и полях, связанных с зарядом. Электричество и магнетизм — два аспекта электромагнетизма.

Электричество и магнетизм долгое время считались отдельными силами. Лишь в 19 веке к ним, наконец, стали относиться как к взаимосвязанным явлениям. В 1905 Специальная теория относительности Альберта Эйнштейна вне всяких сомнений установила, что оба явления являются аспектами одного общего явления. Однако на практическом уровне электрические и магнитные силы ведут себя совершенно по-разному и описываются разными уравнениями. Электрические силы создаются электрическими зарядами либо в состоянии покоя, либо в движении. Магнитные силы, с другой стороны, создаются только движущимися зарядами и действуют исключительно на движущиеся заряды.

Понять, как концепция осязания меняется при наличии электронов между двумя объектами

Посмотреть все видео к этой статье

Электрические явления происходят даже в нейтральной материи, потому что силы действуют на отдельные заряженные составляющие. В частности, электрическая сила отвечает за большинство физических и химических свойств атомов и молекул. Она невероятно сильна по сравнению с гравитацией. Например, отсутствие хотя бы одного электрона из каждого миллиарда молекул у двух 70-килограммовых (154 фунтов) людей, стоящих на расстоянии двух метров (двух ярдов) друг от друга, отталкивало бы их с силой в 30 000 тонн. В более привычном масштабе электрические явления ответственны за молнии и гром, сопровождающие некоторые бури.

Электрические и магнитные силы можно обнаружить в областях, называемых электрическими и магнитными полями. Эти поля фундаментальны по своей природе и могут существовать в пространстве вдали от заряда или тока, которые их породили. Примечательно, что электрические поля могут создавать магнитные поля и наоборот независимо от внешнего заряда. Изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле, как обнаружил английский физик Майкл Фарадей в работе, которая лежит в основе производства электроэнергии. И наоборот, изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, как пришел к выводу шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл. Математические уравнения, сформулированные Максвеллом, включили световые и волновые явления в электромагнетизм. Он показал, что электрические и магнитные поля вместе путешествуют в пространстве как волны электромагнитного излучения, при этом изменяющиеся поля взаимно поддерживают друг друга. Примерами электромагнитных волн, распространяющихся в пространстве независимо от материи, являются радио- и телевизионные волны, микроволны, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи. Все эти волны распространяются с одинаковой скоростью, а именно со скоростью света (примерно 300 000 километров или 186 000 миль в секунду). Они отличаются друг от друга только частотой, с которой колеблются их электрическое и магнитное поля.

Тест “Британника”

Физика и законы природы

Какая сила замедляет движение? Каждому действию есть равное и противоположное что? В этом викторине по физике нет ничего, что E = mc было бы квадратным.

Уравнения Максвелла до сих пор дают полное и элегантное описание электромагнетизма вплоть до субатомного масштаба, но не включая его. Однако интерпретация его работ была расширена в 20 веке. Специальная теория относительности Эйнштейна объединила электрические и магнитные поля в одно общее поле и ограничила скорость всего вещества скоростью электромагнитного излучения. В конце 19В 60-х годах физики обнаружили, что другие силы в природе имеют поля с математической структурой, аналогичной электромагнитному полю. Этими другими силами являются сильное взаимодействие, ответственное за выделение энергии при ядерном синтезе, и слабое взаимодействие, наблюдаемое при радиоактивном распаде нестабильных атомных ядер. В частности, слабое и электромагнитное взаимодействия были объединены в общую силу, называемую электрослабой силой. Цель многих физиков объединить все фундаментальные силы, включая гравитацию, в одну великую единую теорию до сих пор не достигнута.

Важным аспектом электромагнетизма является наука об электричестве, которая занимается изучением поведения агрегатов заряда, включая распределение заряда в материи и перемещение заряда с места на место. Различные типы материалов классифицируются как проводники или изоляторы в зависимости от того, могут ли заряды свободно перемещаться через составляющие их вещества. Электрический ток является мерой потока зарядов; законы, управляющие токами в материи, важны в технике, особенно в производстве, распределении и контроле энергии.

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Понятие напряжения, так же как заряда и тока, является фундаментальным для науки об электричестве. Напряжение — это мера склонности заряда перетекать из одного места в другое; положительные заряды обычно имеют тенденцию перемещаться из области высокого напряжения в область более низкого напряжения. Распространенной проблемой в электричестве является определение соотношения между напряжением и током или зарядом в данной физической ситуации.

В этой статье делается попытка дать качественное понимание электромагнетизма, а также количественную оценку величин, связанных с электромагнитными явлениями.

Повседневная жизнь современного человека пронизана электромагнитными явлениями. Когда лампочка включена, через тонкую нить в колбе течет ток, который нагревает нить до такой высокой температуры, что она светится, освещая все вокруг. Электрические часы и соединения связывают простые устройства такого типа в сложные системы, такие как светофоры, которые отсчитывают время и синхронизируются со скоростью транспортного потока. Радиоприемники и телевизоры получают информацию, переносимую электромагнитными волнами, распространяющимися в пространстве со скоростью света. Чтобы запустить автомобиль, токи в электростартере генерируют магнитные поля, которые вращают вал двигателя и приводят в движение поршни двигателя, сжимая взрывоопасную смесь бензина и воздуха; искра, инициирующая горение, представляет собой электрический разряд, образующий мгновенный ток.

Различные аспекты и факты — Lambda Geeks

В этой статье мы рассмотрим разницу между магнитным полем и напряженностью магнитного поля, некоторые особенности и факты.

В связи с движением заряженных частиц создается магнитное поле и действует сила захвата в этой области; напряженность магнитного поля только усиливает это воздействие за счет увеличения плотности магнитного потока на единицу длины.

Магнитное поле против напряженности магнитного поля 4

Давайте внимательно разберемся в концепции магнитного поля и напряженности магнитного поля.

В присутствии электрического поля заряженные частицы находятся в подвижном состоянии, что создает магнитное поле. В области магнитного поля излучается сила, перпендикулярная скорости частицы. Напротив, напряженность магнитного поля представляет собой давление, испытываемое в этой области, в зависимости от магнитного потока, проходящего через единица длины материала.

Магнитное поле можно интерпретировать как силовые линии, тогда как напряженность магнитного поля представляет собой плотность пересечения силовых линий на единицу площади поперечного сечения.

Давайте не будем забывать простой пример стержневого магнита, помещенного в лоток с железной фольгой. Мы видим, что железная фольга безупречно выровнена вокруг стержневого магнита, образуя замкнутые петли.

Следы выравнивания железной фольги вокруг стержневого магнита,
Изображение предоставлено: comnewsscience

Концентрические петли, окружающие стержневой магнит, перемещаются от северного полюса к южному полюсу стержневого магнита, что означает, что один полюс является притягивающим, а другой – отталкивающим. Но направление потока, протекающего внутри стержневого магнита, выровнено в противоположном направлении. Линии магнитного поля образуют замкнутые петли и никогда не пересекаются. Однако при перекрытии путь магнитного поля не уникален.

Область, окружающая стержневой магнит, в которой наблюдается этот магнитный эффект, является областью магнитного поля. Вы заметите, что большее количество железных фольг притягивается к магниту в области вокруг него, в то время как плотность силовых линий уменьшается по мере увеличения зазора между магнитом и рассматриваемой точкой. это сила магнитного поля уменьшается по мере удаления от магнита, однако магнитное поле остается стабильным .

Магнитный момент и направление магнитного поля

Когда материал с магнитной восприимчивостью больше нуля помещается в электрическое поле, магнитные диполи пытаются выровняться в направлении поля. За счет движения диполей в материале устанавливается магнитное поле. Спин и орбитальный угол электрона и протонов будут определять направление магнитного поля.

При таком выравнивании происходит изменение концентрации положительных и отрицательных носителей заряда в единице объема материала. Заряженные носители выстраиваются в направлении поля, образуя колонии. Чем больше количество заряженных обломков, выровненных в соответствии с напряженностью магнитного поля, добавляет намагниченности материала.

Сила магнитного поля – это сила, необходимая для того, чтобы магнитный поток проник через площадь поперечного сечения материала, делая его более намагниченным. Следовательно, напряженность магнитного поля в первую очередь зависит от магнитного поля, создаваемого из-за движения заряженных обломков, электрического поля, приложенного к проводнику, и плотности магнитного потока.

Узнайте больше о том, что создает силу магнитного поля.

Магнитное поле и напряженность в свободном пространстве и в твердом состоянии

В свободном пространстве магнитное поле линейно зависит от напряженности поля, определяемой соотношением:

B=μ ₀ H

, где B — магнитное поле,

м — проницаемость свободного пространства и

H — напряженность магнитного поля.

Материал считается более проницаемым, если через него проходит большее количество магнитных потоков. В магнитном твердом теле то же самое дается произведением магнитной проницаемости на сумму напряженности поля и намагниченности материала.

B=μ ₀ (H+M)

B=μ ₀ H[1+(M/H)]

Где — восприимчивость.

Суммарный магнитный момент, индуцированный единицей объема материала, известен как восприимчивость и обратно пропорционален напряженности магнитного поля.

Движение частицы в магнитном поле

На заряженную частицу в электрическом поле действуют как электрические, так и магнитные силы, что известно как электромагнитный эффект. Он сформулирован следующим образом:

Поскольку движение частицы перпендикулярно направлению приложенного магнитного поля, сила, вызванная магнитным полем, действует на частицу как центростремительная сила, поскольку сила всегда действует к центру и вызывает круговое движение, перпендикулярное полю. .

В однородном магнитном поле это круговое движение остается неизменным, поэтому движение становится спиральным.

mv ² /r=qvB

B=mv/qr=p/qr

Приведенное выше решение показывает, что магнитное поле прямо пропорционально импульсу частицы и обратно пропорционально ее заряду и радиусу спираль.

Скалярные и векторные величины

Магнитное поле является векторной величиной, которая имеет как величину, так и направление, в то время как напряженность магнитного поля является скалярной величиной, которая имеет только величину, но не направление.

Сумма равнодействующих сил, испытываемых частицами в присутствии магнитного поля, определяет напряженность магнитного поля. Величина поля определяется количеством линий потока, проходящих через единицу площади.

Единица измерения магнитного поля и напряженности магнитного поля

Магнитное поле измеряется в единицах Тесла, названных в честь известного ученого Николы Теслы, а единицей СГС является Гаусс. Один Тесла выражается как Н/мА, то есть сила, необходимая для того, чтобы заряженная частица прошла единицу длины на ампер; что совпадает с магнитным потоком.

Интенсивность магнитного поля представляет собой ток, протекающий на единицу длины проводника, и измеряется в эрстедах, которые также представляются в виде ампер на метр.

Часто задаваемые вопросы

Какова причина формирования магнитного поля Земли?

Магнитное поле Земли препятствует попаданию ионизированных обломков, приближающихся от Солнца, в атмосферу Земли, создавая щит, тем самым охраняя атмосферу и существование на нашей планете.

Ядро Земли состоит в основном из железа (Fe), которое является ферромагнитным. Поскольку расплавленная лава плотнее плит, плавающих в астеносфере, расплавленная лава, состоящая из железа и никеля, проникает к ядру Земли. Благодаря скольжению расплавленного железа возникает конвекционный ток, создающий магнитное поле.

Каков диапазон магнитного поля, создаваемого аппаратом магнитно-резонансной томографии (МРТ)?

Аппараты магнитно-резонансной томографии широко используются в больницах для получения точных изображений анатомии органов человеческого тела.

Магнитное поле, создаваемое аппаратом МРТ , находится в диапазоне от 0,5 Тесла до 2,0 Тесла, т. е. 5000 Гаусс – 20 000 Гаусс; тогда как значение магнитного поля Земли составляет всего 0,5 Гаусса .

Часто ли меняется магнитное поле Земли?

Изучая образцы горных пород и используя методы радиометрического датирования, можно определить и рассчитать напряженность магнитного поля и направление поля Земли, которые менялись даже в течение последних миллионов лет назад.

Да, напряженность магнитного поля Земли часто меняется, так как преобладает геотектоническая активность, а океаническая кора, формирующаяся вдоль срединно-океанического хребта, указывает на отпечатки магнитного поля в это точное время на породе. Движение плит по расплавленной магме дает представление о силе магнитного поля.

Различные аспекты и факты – Lambda Geeks

Мы часто путаем магнитный поток и магнитное поле. Здесь, в этой статье, мы обсудим различия, сходства и другие интересные факты о магнитном потоке и магнитном поле   

Магнитный поток и магнитное поле являются характеристиками магнита. Основное различие между магнитным потоком и магнитной площадью заключается в том, что магнитная область – это область, близкая к магниту или проводнику с током, в которой может ощущаться магнитное давление. .

Магнитное поле   

Магнитное поле — это область в космосе, в которой подвижные ионы и магнитные полярности подвержены действию силы (учитывая отсутствие электрического поля, поскольку оно также оказывает воздействие).

Ощущаемая сила пропорциональна интенсивности магнитной области. Линии магнитного поля могут использоваться для обозначения магнитного поля. Силовые линии магнитного поля сближаются под действием большего магнитного поля.

На линии магнитного поля можно сделать наконечник стрелки таким образом, чтобы линии поля текли в направлении северного полюса, расположенного в магнитном поле. Если поместить металлические частицы в магнитное поле и позволить им выстроиться в линию, то получится линия магнитного поля. Сила, испытываемая частицей заряда q, движущейся через магнитное поле со скоростью, может использоваться для описания напряженности магнитного поля;

F ^→ = QV ^→ * B ^→ 9003 ^→ 9003 ^→ 9003 ^→ . F ^→ = qvB

Когда слово «магнитное поле» относится к количеству, а не к месту, оно почти всегда относится к напряженности магнитного поля. Тесла — это единица СИ для измерения напряженности магнитного поля (Тл). Глубина магнитного поля Земли варьируется в зависимости от местоположения, однако она составляет порядка микротесл.

Количество магнитного предмета, проходящего через площадь, измеряется с помощью магнитного потока. Магнитный поток описывается как «количество» деформаций магнитного предмета, путешествующих через заданную область в упрощенном виде. Термин «магнитный объект» относится к месту, в котором может ощущаться магнитное давление. Магнитный предмет полностью зависит от магнита, который его генерирует. Магнитные поля в несколько тесла создаются магнитами, используемыми в оборудовании МРТ в больницах, и максимальное магнитное поле, которое нам удалось создать, составляет примерно 90 T.  

Магнитный поток   

С помощью магнитного потока измеряется количество магнитного предмета, проходящего через площадь. В результате на эту величину влияет не только сила магнитного поля, но и размер области. Магнитный поток описывается как «количество» деформаций магнитного предмета, путешествующих через заданную область в упрощенном виде.

Точное определение магнитного потока, с другой стороны, представлено с помощью векторного исчисления. Магнитный поток Φ вычисляется путем интегрирования магнитного поля по поверхности таким образом;

φ = ∫B ^→ . DA ^→ 9003 ^→

^→ .

Φ = BA

Единица магнитного потока в системе СИ равна Webe r (Вб). 1Wb= 1T м ²

Чистый магнитный поток через замкнутую поверхность, согласно уравнению магнетизма Гаусса, равен нулю. Это указывает на то, что силовые линии магнитного поля образуют полные петли, и, таким образом, северный полюс без южного полюса и наоборот невозможен. Несмотря на то, что ни одно исследование еще не идентифицировало их, некоторые гипотезы предполагают наличие так называемых «магнитных монополей».

Магнитный поток равен, если мы используем типичную гладкую поверхность с площадью A в качестве нашей области тестирования и что существует угол θ между нормалью к поверхности и вектором магнитного поля (величина B).

Φ = B A cosθ

где A ^→ , вектор площади, описывается как вектор, перпендикулярный плоскости петли с величиной, равной площади петли AA. Вектор площади измеряется в м ² в единицах СИ.

Угол равен 0, когда поверхность перпендикулярна полю, а магнитный поток равен просто BA.

 

Магнитный поток в зависимости от магнитного поля

Магнитное поле	Напряженность магнитного поля
Поле, возникающее вокруг магнитного материала из-за движения заряженной частицы, известно как магнитное поле.	Сила, прикладываемая к единице длины проводника для проникновения магнитного потока через проводник, называется напряженностью магнитного поля.
Магнитное поле вокруг магнита стабильно.	Сила магнитного поля зависит от расстояния.
Магнитное поле зависит от скорости частицы, внешнего поля и заряда частицы.	Напряженность магнитного поля зависит от магнитного потока, дипольного момента, магнитной восприимчивости, магнитной проницаемости, намагниченности и количества заряженных частиц.
Магнитное поле является векторной величиной, которая имеет как величину, так и направление	Напряженность магнитного поля является скалярной величиной, которая имеет только величину, но не направление
Единицей магнитного поля в СИ является Тесла	Единицей напряженности магнитного поля в СИ является Ампер на метр
Единицей магнитного поля в СГС является Гаусс	Единицей напряженности магнитного поля в СГС является Эрстед

= QVB

= QVB

= QVB = QVB = QVB = QVB5 . 0026  

Величина магнитного поля в материале, которое возникает из-за внешнего тока и не является присущим самому материалу, называется напряженностью магнитного поля, часто называемой напряженностью магнитного поля или напряженностью магнитного поля.

Вычисляется в амперах на метр и обозначается с помощью вектора H. H описывается как

H= B/(мкМ) , степень фактического магнитного поля внутри ткани, выраженная в виде напряженности силовых линий магнитного поля или потока на единицу площади поперечного сечения; М – намагниченность.

Магнитное поле H можно считать так же, как магнитное поле, создаваемое с помощью современных течений по проводам, в то время как магнитное поле B можно рассматривать как общее магнитное поле, которое включает в себя вклад M от магнитных домов веществ внутри поля.

Намагничивающее поле H является слабым всякий раз, когда ток течет по спиральному проводу вокруг цилиндра из мягкого железа, однако фактическое среднее магнитное поле (B) внутри железа может быть во много раз больше, поскольку B значительно усиливается ориентацией многочисленные крошечные естественные атомные магниты железа на пути поля.

Связь магнитного поля и магнитного потока

Магнитное поле представлено отдельными векторами: один, известный как плотность магнитного потока или магнитная индукция, представлен через B, а каждый другой известен как напряженность магнитного поля или напряженность магнитного поля , представлен через H. 

H= B/(mu-M) показывает взаимосвязь между плотностью магнитного потока, выраженной B, и напряженностью магнитного поля, выраженной H.

Разница между магнитным потоком и плотностью магнитного потока   

Магнитный поток является скалярной величиной, в то время как плотность магнитного потока является векторной величиной. Скаляр представляет собой произведение плотности магнитного потока, а вектор окрестности представляет собой магнитный поток. Магнитный поток является постоянной величиной, в то время как плотность магнитного потока является переменной величиной.

 

Задачи   

Задача 1:

В однородном магнитном поле напряженностью 0,6 Тл прямоугольная петля со стороной 4 см расположена так, что плоскость петли образует угол 45 градусов. с магнитным полем. Какой поток проходит через квадратный контур?
Магнитный поток в зависимости от магнитного поля

Решение : заданы значения ;

L = 4см

B = 0,6t

φ = 45 °

Установка заданных значений в формуле магнитного потока,

φ = B A Cos θ

φ = (0,6) (0.04 *04 *04* *04* 00003

φ = (0,6) (0.04 *04* 0,04* 0,00003

. 0,04)\cos 45°

     Φ = 0,68mWb

Угол θ = 45° – это угол между B ^→ 90 и вектором нормали к поверхности. 9 .j * 0,2)

= 0,3*0,2

= 0,06 T

Мы использовали 1 см ² = 10 ^-4 м ² это правило преобразования в приведенном выше решении.

Часто задаваемые вопросы |Часто задаваемые вопросы    

В. В чем разница между B и H?  

Отв. Различие между B и H заключается в том, что B представляет собой плотность магнитного потока, тогда как H представляет напряженность магнитного поля.  

В. Когда магнитный поток максимален?

Ответ. Когда магнитный поток через катушку равен нулю, он достигает своего пика. В результате приравняем эту формулу к нулю и вычислим угол между плоскостью катушки и силовыми линиями.

В. От какого параметра зависит магнитный поток?  

Отв. Магнитный поток определяется формой поверхности и содержащимся в ней током.

В. Какова связь между магнитным полем и потоком?  

Ответ. Магнит имеет такие характеристики, как магнитное поле и поток. Магнитное поле — это пространство, в котором подвижные ионы подвергаются воздействию силы, а магнитный поток показывает, сколько магнитных силовых линий проходит через него. Замкнутая петля образована магнитными силовыми линиями.  

Q. Что вызывает изменение магнитного поля ?

Ответ. Термин «изменение магнитного поля» относится к сдвигу напряженности магнитного поля на . По мере того, как мы приближаемся к магниту, магнитная сила растет, а по мере того, как мы удаляемся, она уменьшается. В результате, если магнит подталкивается к электрической цепи или выходит из нее, напряженность магнитного поля этого движущегося стержневого магнита будет влиять на цепь.

В. Как магнитное поле генерирует токи?

Ответ: Ток индуцируется сдвигом магнитного поля следующим образом:

Вышеупомянутый сдвиг напряженности магнитного поля вызывает ЭДС. Электрический потенциал (напряжение), который позволяет перемещать заряды на единицу время известно как электромагнитное поле (ЭМП). Электрический ток создается путем прохождения зарядов. Этот ток известен как индуцированный ток, потому что он индуцируется изменением напряженности магнитного поля.

  

    

 

ПОЧЕМУ МАГНИТНЫЕ СИЛЫ ЗАВИСЯТ ОТ КТО ИХ ИЗМЕРЯЕТ

ПОЧЕМУ МАГНИТНЫЕ СИЛЫ ЗАВИСЯТ ОТ КТО ИХ ИЗМЕРЯЕТ ПОЧЕМУ ЗАВИСЯТ ЛИ МАГНИТНЫЕ СИЛЫ ОТ КТО ИХ ИЗМЕРЯЕТ?

Дэвид Н. Джеймисон, доктор философии.
Школа физики
Мельбурнский университет

Введение: Магнетизм и силы природы

В марте 1989 года массивные магнитные бури на Солнце, вызванные необычным Активность солнечных пятен вызвала отключение электроэнергии в Квебеке, Канада, что повлияло на более шести миллионов человек.

Машинист поезда Met замыкает переключатель, вызывая протекание электрического тока на две катушки проволоки, одна из которых прочно закреплена на шасси поезда, другой прикреплен к колесам. Мощные магнитные крутящие силы приводят в движение несколько сотен тонн стали и людей на линии.

На Мельбурнском ядерном микрозонде, специальном электромагните, генерирующем сложная структура магнитных полей, вызывающая пучок заряженных частиц сойтись в крошечной точке в миллионную долю метра в диаметре. Это используется как мощный диагностический зонд в медицине, ботанике, геологии и материалах наука.

Бушволкер, оснащенный магнитным компасом, может уверенно перемещаться по бездорожью дикой местности, следуя за магнитным полем Земли поле.

Сверхчувствительный датчик магнитного поля, называемый сверхпроводящим квантовым Интерференционное устройство, настраивается на слабые магнитные поля, создаваемые мысли бегают по нервным путям в человеческом мозгу.

Рис. 1. Сильные магнитные поля в солнечных пятнах вызывают эффект Зеемана. расщепление солнечного света. Мы можем воспроизвести тот же эффект в лаборатории. с помощью мощных магнитов. (Из Т. Хея и П. Уолтерса, “Квантовая Вселенная”, Издательство Кембриджского университета, Кембридж, 1988)

Магнитные силы вездесущи в мире природы и имеют большое значение. область применения в нашей технологической цивилизации. И все же есть что-то беспокойство о магнетизме. Будучи студентом, изучающим физику, я был обеспокоен тем, что магнитные силы ощущаются только движущимися заряженными частицами. Это видно из фундаментальной формулы силы F , на частице с зарядом q движется со скоростью v через область магнитного и электрического полей:

F = q E + q v ´ Б

, где E и B — сильные стороны электрического и магнитные поля. Эта сила называется силой Лоренца. Сила из электрического поля (бит q E ) кажется прямым достаточно, но, безусловно, размер магнитной силы ( q v ´ B бит) зависит от того, кто его измеряет? Это связано с тем, что мое измерение скорость частицы будет зависеть от того, как быстро я иду относительно частица! То есть скорость моей собственной системы отсчета относительно частицы. Безусловно, выбор системы отсчета не должен влияет на магнитную силу? Действительно, что происходит с магнитной силой в система отсчета самой частицы, где скорость равна нулю? Магнитная сила тоже равна нулю? Если этого кажущегося парадокса недостаточно, многие формулы магнетизма поразительно похожи на эквивалентные формулы, которые применяются к электростатическим силам, но имеют некоторые наводящие на размышления асимметрии. Подробнее об этом позже.

Целью этого эссе является выделение некоторых моментов, которые устанавливают магнетизма отдельно от других сил, то объясните, почему это должно быть так.

Рисунок 2: Четыре силы природы.

Давайте рассмотрим различные типы силы и посмотрим, где подходит магнетизм. в. В природе существует четыре силы (недавние предположения, что быть «пятой силой» экспериментально не доказано). Это, начиная с наиболее знакомым:

• Сила тяжести. Это сила, которая заставляет нас двигаться вверх и вниз, большинство из нас (кроме от нескольких астронавтов и космонавтов) проводят всю жизнь погруженными в гравитационное поле Земли.
• Электромагнетизм. Это объединяет электростатические и магнитные силы, по причинам, которые, я надеюсь, станут ясны в конце этой лекции. Самый люди будут знакомы с электростатическими силами из того, как кусок пластмассы (в древности кусок янтаря), при натирании кусочком ткани, подхватит маленькие кусочки бумаги. Электростатические силы также не дай нам провалиться сквозь пол! Это отталкивание поверхности электроны, которые не позволяют двум объектам занимать одно и то же место. Немного знакомые примеры магнитной силы уже были описаны.
• Сильное ядерное взаимодействие. Это сила, которая связывает нейтроны и протоны вместе в ядрах атомов. Он действует только на коротком расстоянии, но значительно более мощным, чем электростатическая сила, которая в противном случае заставляют положительно заряженные протоны сильно отталкиваться друг от друга. средний человек не испытывает эту силу непосредственно, но я вижу достаточно доказательства этого, когда я бомбардирую легкие элементы, такие как углерод, быстрыми протонами в рамках моей исследовательской деятельности. Взаимодействие между протоном и сильное взаимодействие сильно влияет на ядро ​​углерода.
• Слабое ядерное взаимодействие. Эта сила участвует, среди прочего, в некоторые виды радиоактивного распада. Наши собственные тела содержат легко измеримые количества радиоактивного изотопа калия, который тихо распадается далеко из-за действия слабого ядерного взаимодействия.

Список сил дает ключ к пониманию того, что магнетизм тесно связан с электростатические силы, так как он не фигурирует в списке как отдельный сила. Давайте теперь посмотрим на историю магнетизма, чтобы найти еще некоторые подсказки.

История магнетизма

Ок. 1000 г. до н.э.: Согласно классическому греческому историку Плинию, слово магнетизм происходит от имени мальчика-пастушка по имени Магнес, который находит что его посох с железным наконечником притягивается к комкам естественного происхождения. магнетит (магнитный оксид железа) на горе Ида, Греция. Примерно в то же время Китайские мореплаватели обнаруживают, что кусок магнита (другое название магнетит), подвешенный на нити, всегда указывает в одном направлении. история про мальчика-пастушка скорее легендарная, чем историческая, но в течение следующих 3000 лет изучение магнетизма естественно ограничивается появление постоянных магнитов.

Рисунок 3: Открытие магнетизма. (Из Л. Де Вриз, “The Книга экспериментов», Джон Мюррей, Лондон, 1958)

1269: Пьер Пелерин де Марикур обнаруживает, что сферический магнитный магнит имеет два места на поверхности, где сходятся магнитные силовые линии. Он называет их «полюсами» по аналогии с земными.

Изучение природных постоянных магнитов выявило еще несколько важные свойства. Установлено, что разламывание магнита пополам всегда получается два новых магнита, каждый со своими северным и южным полюсами. Это никогда невозможно создать магнит, у которого есть только север или только юг. столб. Это совсем не похоже на поведение заряженных объектов, где легко можно придать объекту положительный или отрицательный заряд. Постоянные магниты всегда отображаются как диполей . Это еще одна подсказка что в магнетизме есть что-то необычное.

1600: Чтобы объяснить, как работает компас, Уильям Гилберт (1540-1603) постулирует, что Земля действует как огромная сферическая магнит с северным и южным полюсами. Гилберту также приписывают первым употребил термины «электрическая сила» и «электричество», которые выводят от греческого слова «янтарь».

18:20: При подготовке демонстрации лекции для класса физики a Преподаватель датской физики Ганс Христиан Эрстед (1777–1851), замечает, что электрический ток в проводе отклоняет стрелку компаса. электрический ток создавал магнитное поле! Наука «электромагнетизм» основана.

1821: Андре Мари Ампер (1775-1836) определяет закон, который теперь носит его имя, для отношений между ток, протекающий по проводу, и создаваемое им магнитное поле.

1831: Майкл Фарадей (1791-1867) и, независимо, Джозеф Генри (1797-1878) показал, как изменяющееся магнитное поле, продевающее петлю из проволоки, может индуцировать электрический ток в петле. Фарадей публикуется первым, поэтому теория результата теперь называется «Закон индукции Фарадея». Большая часть электроэнергии вырабатывается при использовании Закон Фарадея.

1873: Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879) публикует его «Трактат об электричестве и магнетизме», содержащий исчерпывающую теория всех открытий до сих пор. Однако это одинокий британский эксцентрик Оливер Хевисайд (1850-1925), производивший сущность теории от чрезвычайно сложной математики Максвелла к элегантно простая форма, которую мы знаем сегодня как уравнения Максвелла.

1895: Хендрик Лоренц (1853-1944) решает что уравнения Максвелла могут быть поняты на фундаментальном уровне как взаимодействие движущихся заряженных частиц. не раньше 1899 что эти движущиеся заряженные частицы стали известны как электронов . Лоренц вводит формулу силы, действующей на заряженную частицу движущихся в электрическом и магнитном полях, которые мы теперь называем силой Лоренца, обсуждалось ранее.

  Рисунок Рисунок 4: Уравнения Максвелла.

Хотя уравнения Максвелла удивительно симметричны между роли электрического и магнитного полей, есть некоторые вопиющие асимметрии. Эти асимметрии связаны с отсутствием магнитного эквивалента электрона: магнитный монополь. Например закон Гаусса для магнетизма отрицает роль магнитных монополей в происхождении магнитного поле. Это согласуется с экспериментом, поскольку магнитные монополи так и не были найдены, несмотря на тщательные поиски. Кроме того, закон Фарадея не содержит термина для «монопольных токов», который был бы аналогичен термин для электрического тока в законе Ампера-Максвелла.

Уравнения Максвелла говорят нам, как генерируются магнитные поля, либо электрическими токами или изменяющимися электрическими полями. Формула силы Лоренца рассказывает нам, как магнитные поля влияют на движущиеся заряженные частицы. Но как Дело в том, что постоянные магниты могут генерировать магнитные поля, по-видимому, без электрические токи, и чувствовать действие магнитных сил, по-видимому, без содержащие движущиеся заряженные частицы? Ответ заключается в том, что они действительно содержат движущиеся заряженные частицы! Еще один результат конца девятнадцатого век нужен:

1896: Питер Зееман (1865-1943) открывает эффект, за который он разделит Нобелевскую премию 1902 года с Лоренцем, что спектральные линии уширятся, если источник поместить в магнитное поле. Эксперименты 1897 г. показывают фактическое расщепление линий. Эти результаты интерпретируется как действие силы Лоренца на движущиеся электроны внутри атомы . Теперь мы знаем, что электроны в атомах, прыгающие между энергетическими уровнями производят спектральные линии, так что любое влияние на то, как они движутся, проявляется в сдвиг линий.

Сегодня мы рассматриваем вращающиеся электроны внутри атомов как существующие квантовые механические стоячие волны. Несмотря на это, электроны по-прежнему ведут себя как крошечные петли тока, бегущие вокруг атома. Уравнения Максвелла говорят нам что эта петля тока будет генерировать магнитное поле. В большинстве атомов магнитные поля, создаваемые всеми этими крошечными петлями тока, компенсируются. Но в железе и некоторых других ферромагнитных материалах их нет, каждый атом действует как крошечный магнит. При благоприятных обстоятельствах многие из них крошечные атомные магниты заперты в выравнивании, и, следовательно, у нас есть постоянная магнит. Затем выровненные атомные магниты могут протянуться и временно выровняться. крошечные магниты в кусках ненамагниченного железа, и притягивать их. Также, они могут притягивать или отталкивать другие магниты в зависимости от того, противоположны они или нет. одинаковые полюса вместе. Наложенный эффект всех выровненных вращений электронов в ферромагнитном материале называется «решеточным током».

Рисунок 5: (слева) линия гамма-излучения от первого возбужденного состояния из ⁵⁷ Fe, встроенный в немагнитную нержавеющую сталь. (справа) тот же гамма-луч, на этот раз от ⁵⁷ Fe, встроенного в магнитный комок железа. Сильные внутренние магнитные поля от решеточных токов в железе вызывают зеемановское расщепление. (Из студенческого эксперимента об эффекте Мессбауэра, Школа физики Мельбурнского университета, 1985)

Итак, мы видим, что как в постоянных магнитах, так и в электромагнитах движение заряженных частиц, обычно токов электронов, необходимо для создания магнитные силы, и, в свою очередь, существенное значение имеет движение заряженных частиц. «чувствовать» магнитные силы.

В космосе было множество беспокойно движущихся заряженных частиц. примеры магнетизма в начале этого эссе. Токи термоядерной плазмы Вокруг солнечных пятен на Солнце генерируются магнитные поля, которые затем возмущают токи в электросети Канады. Электрические токи в обмотки возбуждения двигателей поездов создают магнитные поля, которые воздействуют на токи в обмотках якоря, заставляющие их вращаться. Токи в обмотках специальных электромагнитов Мельбурнского ядерного Микрозонд создает магнитные поля, которые заставляют широкую заряженную частицу пучок сходится к тонкому зонду. В Земле «магнитогидродинамические» токи в ядре генерируют магнитное поле Земли (с помощью механизма, который еще не до конца понятый), который затем действует на решеточные токи в намагниченная стрелка компаса заставляет его указывать на север. В человеческом мозгу, слабые электрические токи, проходящие через нервы, генерируют магнитные поля которые могут быть обнаружены тонкими эффектами на специфические сверхтоки электронов пары в сверхпроводнике.

Итак, наконец в нашей истории магнетизма мы подошли к золотому году для физика:

1905: Альберт Эйнштейн (1879-1955) публикует его статья «Электродинамика движущихся тел», содержащая специальные Теория относительности. Позже Эйнштейн заметил по поводу этой статьи:

“Что привело меня более или менее непосредственно к специальной теории относительности было убеждение, что электродвижущая сила, действующая на движущееся тело в магнитном поле было не чем иным, как электрическим полем».0772

А. Эйнштейн (1952 г.), из письма Майкельсону Памятному Собрание Кливлендского физического общества, цитируется Р.С. Шанкленд, Ам. J. Phys., 32, 16 (1964), стр. 35.

Что имеет в виду Эйнштейн? Давайте внимательно посмотрим на пример.

Давайте внимательно посмотрим, что происходит, когда движущаяся заряженная частица отклоняется магнитной силой, создаваемой током в куске металлический провод. Прежде всего, кусок провода сам по себе электрически нейтрален. Самый дальний электрон в металле может свободно перемещаться, поэтому мы можем думать провода как фиксированный массив положительных ионов металла, окруженный морем свободных электронов. Для простоты будем считать, что каждый атом металла вносит в море только один свободный электрон. Рядом заряженная частица, взятый, например, чтобы нести положительный заряд, не чувствует никакой силы от нейтральный провод, так как сила притяжения электронов нейтрализует сила отталкивания от ионов металлов. Когда электрический ток при включении свободные электроны начинают течь по проводу.

Рисунок 6: Диаграмма Минковского для ионов металлов и свободных электронов в проводе без тока.

В качестве полезной техники визуализации происходящего позвольте представить понятие диаграммы Минковского. Эти диаграммы названы в честь Гурвица. Минковский (1864–1909), обучавший молодого Эйнштейна в Цюрихском политехническом институте. в 1896 году, но позже внес значительный вклад в математику теории относительности. Диаграмма Минковского похожа на карту, которая обеспечивает обзор того, как объекты перемещаются во времени и пространстве. Например, фигура 6 представляет ситуацию для нашего провода без тока в нем. Оба ионы металлов и свободные электроны неподвижны, поэтому всегда остаются на то же самое х -координата. (Я пренебрегаю тепловыми эффектами, которые только заставляют ионы и свободные электроны случайным образом перемещаться относительно некоторого среднего положения.) Таким образом, вертикальные линии, представляющие их положение как функцию времени, могут представлять позиции. Их называют мировыми линиями. Время идет, x -координаты не меняются.

Теперь рассмотрим эффект включения электрического тока. Электроны начинают двигаться по проводу с равномерной скоростью против . Конечно, в реальном проводе электроны постоянно ускоряются и рассеивание ионов металлов, но общий эффект заключается в однородном дрейфовать по проводу под действием приложенного напряжения, которое преодолевает сопротивление провода.

Мы можем написать:

v = i /(e A N _e )

, где v — дрейфовая скорость электронов, и это ток в проводе, e — заряд электрона, A — заряд электрона. площадь поперечного сечения провода и N _e номер электронов в единице объема. Мы также можем ввести величину, которая будет пригодится позже, названная линейной плотностью заряда, л _– :

л- = eAN _e

Линейная плотность заряда — это всего лишь величина заряда свободных электронов. за метр вдоль провода. Это будет отрицательное число, так как электроны однако несут отрицательный заряд, поскольку мы предположили, что каждый атом металла вносит один электрон, это будет уравновешено равным и противоположным плотность положительного заряда ионов металлов, л ₊ :

л- = л ₊

Из опыта мы знаем, что провод с током создает магнитное поле. поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы с магнитной силой, но не на неподвижно заряженных частицах. Попробуем разобраться в происхождении этой магнетической силы, глядя на ситуацию с точки зрения движущегося заряда. Чтобы все было красиво и просто, будем считать движущийся заряд имеет скорость v в том же направлении, что и движущийся электроны в проводе. Это было бы так, если бы движущийся заряд двигались в токе во втором проводе.

Построим диаграмму Минковского для провода с током. Мировые линии ионов металлов остаются прежними, поскольку они не движутся, однако мировые линии электронов наклоняются к ось x, так как x-координаты электронов увеличиваются со временем (см. рисунок 7). За время t ₁ после переключения тока далее x-координата электрона увеличилась на величину vt ₁ .

  Рис. 7. Электроны начинают двигаться, но ионы металлов остаются исправлено.

Теперь мы можем отметить на этой диаграмме систему отсчета близлежащего стационарного заряженная частица. Система отсчета — это просто устройство, которое мы носим с собой. чтобы помочь нам воспринимать внешний мир. Восприятие внешнего мира включает в себя измерение расстояний и времени вещей, происходящих вокруг нас. Мы можно просто нарисовать в системе отсчета неподвижную частицу с его оси x и t параллельны осям x и t, см. рис. 8. Обратите внимание, что в новой рамке разделение между положительными ионами металла и движение отрицательных свободных электронов точно такое же, как и раньше. Это может быть можно понять, внимательно рассмотрев влияние на электроны ускорение, которое они испытывают при включении тока. Поскольку расстояние между электронами не изменилось, положительные и отрицательные линейные плотности заряда снова имеют одинаковую величину, поэтому притяжение и отталкивание силы компенсируют друг друга, и неподвижная заряженная частица ощущает нет электростатической силы:

л- л ₊ =  л- л ₊

Мы уже знаем, что несмотря на то, что ток электронов производит магнитное поле, неподвижная заряженная частица не чувствует магнитного поля. сила. Формула силы Лоренца говорит нам, что магнитная сила равна нулю. если скорость равна нулю.

  Рис. 8: Система отсчета близлежащего стационарного заряженного частица.

Рассмотрим движущуюся поблизости заряженную частицу. В этом случае Лоренц формула силы говорит нам, что такая движущаяся частица будет ощущать магнитное сила равна q v ´ Б . Давайте сейчас посмотрите на ситуацию с точки зрения движущейся заряженной частицы. В своей системе отсчета он неподвижен, v = 0, поэтому он не может ощущать никаких магнитных сил, зависящих только от скорости. Это возможно, он чувствует какую-то другую силу? Это будет полезно в нашей проверке этого, если мы отметим на нашей диаграмме Минковского систему отсчета движущаяся частица. Как выглядит его система отсчета? Ну и точка стационарной относительно начала системы отсчета движущихся частиц может быть изображается линией, аналогичной линиям для электронов. Я предполагаю, что движущаяся частица находилась в начале исходного кадра, когда ток был включен. Мировая линия начала движения кадр также представляет собой ось t движущегося кадра по определению (см. цифра 9).

Рисунок 9: Ось времени системы отсчета движущегося электроны.

Начертить ось X немного сложнее. Помните, что ось х просто описывает строку одновременных событий, которые произошли в t=0 . Если мы сможем найти два события, которые происходят одновременно в движущейся системе отсчета, мы можно найти ось х. Для этого предположим, что один из электронов каким-то образом испускает вспышку света в t=0 , как показано на рисунке 10.

Рис. 10. Электрон испускает вспышку света, излучающую в обоих направлениях.

Мы можем определить два одновременных события в движущейся системе координат как события представлено получением этой вспышки двумя равноудаленными соседними электроны. Они отмечены двумя крестиками на рисунке 11. Помните что электроны не знают, что они движутся, они видят, что положительный ионы металлов движутся назад мимо них.

Рис. 11: Крестиками отмечены одновременные события в электроне система отсчета.

Теперь нам нужна экстраординарная дополнительная часть физики, чтобы увидеть, что происходит. следующий. Одна из самых удивительных вещей в том, как работает Вселенная, заключается в том, что скорость света одинакова для всех наблюдателей. Как бы быстро вы идете, скорость света всегда остается неизменной! Это было главное понимание Эйнштейна в 1905 и является фундаментом всей оптики и электромагнетизма. отдыхает.

Скорость света одинакова во всех системах отсчета, независимо от скорости источника. Теперь, поскольку электроны равноудаленно разнесены по оси x, получение световых вспышек представляет собой одновременное события в их движущейся системе отсчета. Следовательно, ось x – это просто линия через два креста, начиная с общего начала. Обратите внимание, что события отмеченные двумя крестами, не являются одновременными в исходной ссылке Рамка.

  Рисунок 12: Система отсчета движущегося заряда с наложением в системе отсчета ионов металлов.

Обратите внимание на поразительную вещь: мировые линии электронов пересекают ось X. с более широким интервалом по сравнению с мировыми линиями ионов металлов! Эти точки отмечены зеленым и розовым кружками на рисунке 13. В справочнике В кадре движущегося заряда плотность заряда электронов меньше чем у ионов металлов! Теперь у нас есть:

л- < л ₊ Рисунок 13: Линейные плотности заряда электронов и ионы металлов различны в электронном каркасе.

Следовательно, силы притяжения и отталкивания больше не уравновешены, что приводит к чистой электростатической силе, действующей на заряженную частицу.

Если мы тщательно проделаем алгебру, необходимую для преобразования этого электростатического возвращаются в исходную систему отсчета ионов металлов, в которой движется близлежащая заряженная частица, находим, что она равна магнитная сила, которую мы ожидаем найти! Другими словами, то, что движется заряженная частица испытывает чисто электростатическую силу от неуравновешенного линейная плотность заряда описывается в исходной системе отсчета как сила, зависящая от скорости, которую мы называем магнитной силой.

Дисбаланс линейных плотностей заряда между положительным металлом ионы и движущиеся электроны, измеренные в системе отсчета движущегося заряд, является результатом сокращения Лоренца из-за относительных движений близлежащей заряженной частицы, электронов, протекающих по проводу, и ионы металлов. Этот релятивистский эффект, пожалуй, наиболее знаком нам, когда применяется к быстро движущимся объектам. Посмотрим, как быстро движутся электроны. в обычном проводе с током. В медной проволоке плотность меди атомов составляет около 8,5´10 ²² атомов на кубический сантиметр, и, следовательно, плотность свободных электронов составляет около одинаковый. В медном проводе площадью поперечного сечения 1 квадратный миллиметр и пропуская ток 10 ампер, приведенная выше формула для v показывает, что скорость электрона составляет всего 0,7 миллиметра в секунду. это чрезвычайно маленькая скорость! Сокращение Лоренца для такой малой скорости отличается с 1 только на 3´10 ^-24 . Этот невообразимо малое сжатие тем не менее достаточно, чтобы вызвать легкое дисбаланс положительной и отрицательной плотности заряда провода, который заставляет движущиеся заряженные частицы чувствовать магнитную силу.

Имейте в виду, что эта магнитная сила значительно слабее, чем любая из двух, почти уравновешенных, электростатических сил от электронов или ионов металлов. Если бы свободные электроны с 1 метра провода могли быть полностью отделены на 10 сантиметров от положительных ионов металла, то притягивающие электростатические силы между этими двумя кусками отрицательного и положительные заряды были бы примерно равны силе притяжения между Земля и Луна! Это огромная сила электростатического силы, вот почему мы не часто используем их непосредственно в наших технологических Приложения. Просто слишком сложно разделить положительные и отрицательные заряды. Гораздо проще использовать невероятно незначительный дисбаланс, вызванный релятивистским лоренцевым сокращением, которое заметно как магнетизм.

Подумайте об этом в следующий раз, когда почувствуете таинственное прикосновение магнита.

10.2 Магнитное поле, связанное с током | Электромагнетизм

10.2 Магнитное поле, связанное с током (ESBPS)

Если поднести компас к проводу, по которому течет ток течет, стрелка компаса будет отклоняться.

Поскольку компасы работают, указывая вдоль силовых линий магнитного поля, это означает, что магнитное поле должно быть вблизи провод, по которому течет ток.

Магнитное поле, создаваемое электрическим током, всегда ориентированы перпендикулярно направлению течения. Ниже приведен эскиз того, что магнитное поле вокруг провод выглядит так, как будто по проводу течет ток. Мы используем \(\vec{B}\) для обозначения магнитного поля и стрелки на силовых линиях показывают направление магнитного поля. Обратите внимание, , что если нет тока, не будет и магнитного поля.

Направление тока в проводнике (проводе) показано центральной стрелкой. Кружки — это линии поля. и они также имеют направление, указанное стрелками на линиях. Аналогично ситуации с электрическим полем линий, чем больше линий (или чем ближе они друг к другу) в области, тем сильнее магнитное поле.

Важно: все наши обсуждения направлений полей предполагают, что мы имеем дело с обычный ток .

Чтобы лучше представить себе эту ситуацию, поставьте ручку или карандаш прямо на стол. Круги сосредоточены вокруг карандашом или ручкой и будут нарисованы параллельно поверхности стола. Кончик ручки или карандаша будет указывать в направлении течения.

Вы можете посмотреть на карандаш или ручку сверху, и карандаш или ручка будут точкой в ​​центре кругов. Направление силовых линий магнитного поля в этой ситуации против часовой стрелки.

Чтобы было легче увидеть, что происходит, мы собираемся нарисовать только один набор линий круглых полей, но обратите внимание что это просто для иллюстрации.

Если положить лист бумаги за карандаш и посмотреть на него сбоку, то вы увидите круглую силовые линии обращены друг к другу, и трудно понять, что они круглые. Они проходят через бумагу. Запомни это поле линии имеют направление, поэтому, когда вы смотрите на лист бумаги сбоку, это означает, что круги идут в бумагу с одной стороны карандаша и выйти из бумаги с другой стороны.

Когда мы рисуем направления магнитных полей и токов, мы используем символы \(\odot\) и \(\otimes\). Символ \(\одот\) представляет собой стрелка, выходящая из страницы, и символ \(\отаймс\) представляет собой стрелку, уходящую на страницу.

Легко запомнить значения символов, если подумать о стрела с острым наконечником на голове и хвостом с перьями в форме креста.

Однажды в 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед читал лекцию о возможности электричества. и магнетизм связаны друг с другом, и в процессе убедительно продемонстрировали это с помощью эксперимента перед всем своим классом. Путем пропускания электрического тока через металлическую проволоку, подвешенную над магнитным компас, Эрстед смог произвести определенное движение стрелки компаса в ответ на течение. какая началось как догадка в начале занятия, а в конце подтвердилось как факт. Излишне говорить, что Эрстед пришлось пересмотреть свои конспекты лекций для будущих занятий. Его открытие проложило путь к целой новой ветви наука – электромагнетизм.

Теперь мы рассмотрим три примера проводов с током. Для каждого примера определим магнитную поля и начертите силовые линии магнитного поля вокруг проводника.

Магнитное поле вокруг прямого провода (ESBPT)

Направление магнитного поля вокруг токоведущего проводник показан на рисунке 10.1.

Рисунок 10.1: Магнитное поле вокруг проводника, когда вы смотрите на проводник с одного конца. (а) Ток вытекает из страницы и магнитное поле против часовой стрелки. (b) Ток течет в страница и магнитное поле по часовой стрелке. Рисунок 10.2: Магнитные поля вокруг проводника смотрят вниз на проводник. а) Ток течет по часовой стрелке. (б) текущий течет против часовой стрелки.

Направление магнитного поля

Используя указания, данные на рис. 10.1 и рис. 10.2, попытайтесь найти правило, которое легко подскажет вам направление магнитного поля.

Подсказка: используйте пальцы. Держите провод в руках и попытайтесь найти связь между направлением вашего большой палец и направление, в котором сгибаются пальцы.

Существует простой метод нахождения зависимости между направлением тока, протекающего в проводника и направления магнитного поля вокруг того же проводника. Метод называется 9.0241 Право Правило руки . Проще говоря, правило правой руки гласит, что линии магнитного поля, создаваемые токонесущий провод будет ориентирован в том же направлении, что и загнутые пальцы правой руки человека (в положение «автостоп»), при этом большой палец указывает в направлении течения.

Ваша правая рука и левая рука уникальны в том смысле, что вы не можете повернуть одну из них, чтобы оказаться в одном и том же месте. положение как другой. Это означает, что правая часть правила является существенной. Вы всегда получите неправильный ответ, если вы используете не ту руку.

временный текст

Правило правой руки

Используйте правило правой руки, чтобы нарисовать направления магнитных полей для следующих проводников с токи текут в направлениях, указанных стрелками. Первая задача для вас решена.

С. №. магнитный поток	Термин «магнитный объект» относится к месту, в котором может ощущаться магнитная сила.
2.	На магнитный поток влияют площадь и направление области, а также магнит, создающий поле.	Магнитный предмет полностью зависит от магнита, который его генерирует.
3.	Единицей магнитного потока в системе СИ является Вебер (Вб). 1Вб= 1Тл·м 2	Тесла — это единица СИ для измерения напряженности магнитного поля (Тл).
4.	φ = BA	F → = QVB

1.		2.		3.		4.
5.		6.		7.		8.
9.		10.		11.		12.

Магнитное поле вокруг проводника с током

Аппарат

1. один \(\text{9}\) \(\text{V}\) батарея с держателем

2. два соединительных провода с зажимами типа «крокодил»

3. компас

4. секундомер

Метод

1. Подсоедините провода к аккумулятору, оставив один конец каждого провода неподключенным, чтобы цепь не закрыто.

2. Не забудьте ограничить текущий поток до \(\text{10}\) \(\text{секунд}\) за раз (Почему вы можете спросить, провод сам по себе имеет очень малое сопротивление, поэтому батарея очень быстро разряжается). Это для сохранить срок службы батареи, а также предотвратить перегрев проводов и контактов батареи.

3. Поместите компас рядом с проводом.

4. Замкните цепь и посмотрите, что происходит с компасом.

5. Поменяйте полярность батареи и замкните цепь. Наблюдайте за тем, что происходит с компасом.

Выводы

Используйте свои наблюдения, чтобы ответить на следующие вопросы:

1. Создает ли ток, протекающий по проводу, магнитное поле?

2. Присутствует ли магнитное поле при отсутствии тока?

3. Зависит ли направление магнитного поля, создаваемого током в проводе, от направления текущий расход?

4. Как направление тока влияет на магнитное поле?

Магнитное поле вокруг контура с током (ESBPV)

До сих пор мы рассматривали только прямые провода, по которым течет ток, и магнитные поля вокруг них. Мы собираюсь изучать магнитное поле, создаваемое круглыми петлями провода, по которому течет ток, потому что поле имеет очень полезные свойства, например, вы увидите, что мы можем создать однородное магнитное поле.

Магнитное поле вокруг контура проводника

Представьте себе две петли из проволоки, по которым текут токи (в противоположных направлениях) и которые параллельны странице. вашей книги. Используя правило правой руки, нарисуйте, как, по вашему мнению, будет выглядеть магнитное поле в различные точки вокруг каждой из двух петель. В петле 1 ток течет против часовой стрелки. направлении, а в петле 2 ток течет по часовой стрелке.

Если сделать петлю из проводника с током, то направление магнитного поля получится применение правила правой руки к различным точкам цикла.

Обратите внимание на изменение правила правой руки. Если вы сделаете так, чтобы пальцы правой руки следовали за направление тока в петле, ваш большой палец будет указывать в том направлении, где появляются силовые линии. Этот похож на северный полюс (где силовые линии выходят из стержневого магнита) и показывает, с какой стороны петля будет притягивать северный полюс стержневого магнита.

temp text

Магнитное поле вокруг соленоида (ESBPW)

Если мы теперь добавим еще одну петлю с током в том же направлении, то магнитное поле вокруг каждой петли может быть сложены вместе, чтобы создать более сильное магнитное поле. Катушка из множества таких петель называется соленоидом . Соленоид представляет собой цилиндрическую катушку из проволоки, действующую как магнит, когда по проводу протекает электрический ток. картина магнитного поля вокруг соленоида похожа на картину магнитного поля вокруг стержневого магнита, который вы изучаемый в 10-м классе, который имел определенные северный и южный полюса, как показано на рис. 10.3.

Рисунок 10.3: Магнитное поле вокруг соленоида.

Реальные приложения (ESBPX)

Электромагниты

Электромагнит представляет собой кусок провода, предназначенный для создания магнитного поля при прохождении электрический ток через него. Хотя все проводники с током создают магнитные поля, электромагнит обычно конструируется таким образом, чтобы максимизировать силу магнитного поля, которое он создает для спец. Назначение. Электромагниты обычно используются в исследованиях, промышленности, медицине и потребительских товарах. Ан пример часто используемого электромагнита в защитных дверях, например. на дверях магазина, которые открываются автоматически.

В качестве электрически управляемых магнитов электромагниты являются частью самых разнообразных «электромеханические» устройства: машины, которые производят механическую силу или движение посредством электрических сила. Возможно, наиболее очевидным примером такой машины является электродвигатель , который будет подробно описано в 12 классе. Другими примерами использования электромагнитов являются электрические звонки, реле, громкоговорители и подъемные краны.

Видео: 23ZP

Электромагниты

Цель

Магнитное поле создается при протекании электрического тока по проводу. Одиночный провод не производит сильное магнитное поле, но провод, намотанный на железный сердечник, делает это. Мы будем исследовать это поведение.

Аппарат

1. батарея и держатель

2. длина провода

3. компас

4. несколько гвоздей

Метод

1. Если вы еще не проводили предыдущий эксперимент в этой главе, сделайте это сейчас.

2. Согните провод в несколько витков, прежде чем прикрепить его к батарее. Наблюдайте за тем, что происходит с отклонение стрелки компаса. Отклонение компаса стало сильнее?

3. Повторите эксперимент, изменив количество и размер витков проволоки. Наблюдайте за тем, что происходит к отклонению по компасу.

4. Намотайте проволоку на железный гвоздь, а затем прикрепите катушку к батарее. Наблюдайте за тем, что происходит с отклонение стрелки компаса.

Выводы

1. Влияет ли количество катушек на силу магнитного поля?

2. Железный гвоздь увеличивает или уменьшает силу магнитного поля?

Воздушные линии электропередач и окружающая среда

Физическое воздействие

Линии электропередач – обычное явление для всей нашей страны. Эти линии передают энергию от электростанций к наши дома и офисы. Но эти линии электропередач могут оказывать негативное воздействие на окружающую среду. Одна опасность, которая они представляют для птиц, которые влетают в них. Защитница природы Джессика Шоу провела последние несколько лет в поисках при этой угрозе. На самом деле, линии электропередач представляют собой основную угрозу для синего журавля, национального животного Южной Африки. птица в Кару.

«Нам в Южной Африке повезло, что у нас есть широкий спектр видов птиц, в том числе много крупных птиц, таких как журавли, аисты и дрофы. К сожалению, здесь также много линий электропередач, которые могут воздействовать на птиц. двумя способами. Они могут быть поражены электрическим током, когда садятся на некоторые типы пилонов, а также могут быть убиты столкновение с леской, если они влетят в нее, либо от удара о леску, либо от удара о землю после. Эти столкновения часто случаются с крупными птицами, которые слишком тяжелы, чтобы избежать столкновения с линией электропередачи. увидеть его только в последнюю минуту. Другие причины, по которым птицы могут столкнуться, включают плохую погоду, полеты стаями. и отсутствие опыта у молодых птиц.

В течение последних нескольких лет мы изучали серьезное влияние столкновений с линиями электропередач на Синих. Журавли и дрофы Людвига. Это два наших эндемичных вида, что означает, что они встречаются только в Южная Африка. Это крупные птицы с большой продолжительностью жизни и медленным размножением, поэтому популяции могут не оправиться от высокой смертности. Мы прошли и проехали под линиями электропередач через Оверберг и Кару для подсчета мертвых птиц. Данные показывают, что тысячи этих птиц погибают в результате столкновений каждый год. году, и дрофа Людвига теперь занесена в список исчезающих видов из-за высокого уровня неестественная смертность. Мы также ищем способы уменьшить эту проблему и работаем с Eskom. для тестирования различных устройств разметки линий. Когда маркеры висят на линиях электропередач, птицы могут видеть линии электропередач издалека, что даст им достаточно времени, чтобы избежать столкновения».

Воздействие полей

Тот факт, что вокруг линий электропередач создается поле, означает, что они потенциально могут оказать воздействие на расстояние. Это было изучено и продолжает оставаться предметом серьезных дискуссий. На момент написания, рекомендации Всемирной организации здравоохранения по воздействию на человека электрических и магнитных полей указывают, что нет четкой связи между воздействием магнитных и электрических полей, которым подвергается широкая общественность. столкновения с линиями электропередач, потому что это крайне низкочастотные поля.

Шум линии электропередач может мешать радиосвязи и радиовещанию. По сути, линии электропередач или связанное оборудование неправильно генерирует нежелательные радиосигналы, которые перекрывают или конкурируют с желаемым радио сигналы. Шум в линии электропередач может повлиять на качество приема радио и телевидения. Нарушение радио связь, такая как любительское радио, также может иметь место. Потеря важных коммуникаций, таких как полиция, пожарные, военные и другие подобные пользователи радиочастотного спектра могут привести к еще более серьезным последствиям.

Групповое обсуждение:

Когда молния попадает в корабль или самолет, она может повредить или иным образом изменить его магнитный компас. Там были зарегистрированы случаи, когда удар молнии менял полярность компаса так, что стрелка указывала юг вместо севера.

Магнитные поля

Учебник Упражнение 10.1

Приведите доказательства существования магнитного поля вблизи провода с током.

Если поднести компас к проводу, по которому течет ток, стрелка компаса будет отклонено. Поскольку компасы работают, указывая вдоль силовых линий магнитного поля, это означает, что должен быть магнитное поле вблизи провода, по которому течет ток. Если ток перестанет течь компас возвращается в исходное направление. Если ток снова начинает течь, то отклонение происходит снова.

Опишите, как бы вы использовали правую руку, чтобы определить направление магнитного поля вокруг проводник с током.

Мы используем правило правой руки, которое гласит, что линии магнитного поля, создаваемые проводом с током будут ориентированы в том же направлении, что и согнутые пальцы правой руки человека (в положение «автостоп»), большим пальцем по направлению течения:

Вне страницы

на страницу

Используйте правило правой руки, чтобы найти направление магнитных полей в каждой из точек, отмеченных буквой A – Н на следующих диаграммах.

• А: против часовой стрелки
• B: против часовой стрелки
• C: против часовой стрелки
• D: против часовой стрелки
• E: по часовой стрелке
• F: по часовой стрелке
• G: по часовой стрелке
• H: по часовой стрелке

Магнитное поле, создаваемое проводником с током

В физике магнит — это материал, который индуцирует магнитное поле, притягивающее или отталкивающее другие магнитные материалы. Магнит всегда поляризован, его полюса называются север и юг , и эти два полюса всегда остаются вместе и не могут быть изолированы, и когда мы свободно подвешиваем магнит, магнитный северный полюс будет указывать на географический север Земли. .

Магниты можно найти в холодильниках, радио- и стереонаушниках, аудио- и видеоплеерах, детских игрушках, жестких дисках и дискетах для принтеров. Теперь, прежде чем мы перейдем к магнитному полю, создаваемому петлей с током и соленоидом, давайте рассмотрим некоторые фундаментальные термины, такие как магнитное поле, силовые линии магнитного поля и соленоид, как:

Магнитное поле

Магнитное поле представляет собой силовое поле, образованное магнитными диполями и движущимися электрическими зарядами, которое оказывает силу на другие окружающие движущиеся заряды и магнитные диполи.

Магнитное поле — это векторное поле, которое существует вблизи магнита, электрического тока или смещающегося электрического поля и в котором можно наблюдать магнитные силы. Движущиеся электрические заряды и собственные магнитные моменты элементарных частиц, связанные с фундаментальным квантовым свойством, известным как спин, создают магнитное поле.

Поскольку у магнитного поля есть и величина, и направление, магнитное поле является векторной величиной .

Обозначается символом B .

Единица магнитного поля в системе СИ Н·с/Кл или Тесла (Тл) .

Линии магнитного поля

• Линии магнитного поля представляют собой воображаемые линии вокруг магнита и представляют собой непрерывные замкнутые петли. Касательная к силовой линии в любой заданной точке указывает направление полного магнитного поля в этот момент.
• Поскольку магнит двухполярный, магнитные линии должны иметь начало и конец. Следовательно, он начинается с северного полюса и заканчивается на южном полюсе вне стержневого магнита, а внутри магнита движется от южного полюса к северному полюсу.
• Близость силовых линий показывает относительную силу магнитного поля, т.е. более близкие линии показывают более сильное магнитное поле и наоборот — наоборот. Переполненные силовые линии вблизи полюсов магнита показывают большую силу.

Силовые линии стержневого магнита

Свойства силовых линий магнитного поля

• Границы магнитного поля никогда не пересекаются.
• Глубина линий поля показывает мощность поля.
• Линии магнитного поля часто представляют собой замкнутые петли.
• Линии магнитного поля часто берут начало или начинаются на северном полюсе и заканчиваются на южном полюсе.

Как найти направление магнитного поля из-за проводника с током?

Когда ток проходит через прямой проводник с током, вокруг него создается магнитное поле. Силовые линии имеют форму концентрических окружностей в каждой точке проводника с током. И мы можем найти направление магнитного поля по отношению к направлению электрического тока через прямой проводник, которое можно изобразить с помощью Правило большого пальца правой руки также называют правилом штопора Максвелла .

Правило большого пальца правой руки

Это правило гласит: «Если проводник с током удерживается правой рукой, держа большой палец прямо, и если направление электрического тока соответствует направлению обертывание других пальцев покажет направление магнитного поля.’

Магнитное поле, вызванное током через круглую петлю

Правило большого пальца правой руки можно использовать для круглого проводящего провода, так как оно состоит из небольших прямых сегментов. Каждая точка на проводе, по которому течет ток, создает вокруг себя магнитное поле, которое будет становиться все больше и больше по мере того, как мы удаляемся от провода, и к тому времени, когда мы достигнем центра круговой петли, дуги этой окружности будут выглядеть как прямые. строка

Магнитное поле и число витков катушки

Величина магнитного поля суммируется с увеличением числа витков катушки. Если имеется «n» витков катушки, величина магнитного поля будет «n» раз больше магнитного поля в случае одного витка катушки.

Напряженность магнитного поля в центре петли (катушки) зависит от:

• Радиуса катушки: Напряженность магнитного поля обратно пропорциональна радиусу катушки. Если радиус увеличивается, магнитная сила в центре уменьшается
• Количество витков в катушке: По мере увеличения количества витков в катушке магнитная сила в центре увеличивается, потому что ток в каждом круговом витке имеет одинаковое направление, поэтому поле каждого очередь складывается.
• Сила тока, протекающего в катушке: По мере увеличения силы тока увеличивается и сила трех магнитных полей.

Что такое соленоид?

Соленоид представляет собой катушку с множеством круговых витков изолированного медного провода, плотно навитого в форме цилиндра. Соленоид с током создает такую ​​же картину магнитного поля, как и стержневой магнит. Один конец соленоида ведет себя как северный полюс, а другой конец ведет себя как южный полюс.

Магнитное поле, вызванное током в соленоиде

Линии магнитного поля внутри соленоида параллельны, подобно стержневому магниту, что показывает, что магнитное поле одинаково во всех точках внутри соленоида. Магнитное поле, создаваемое соленоидом, похоже на стержневой магнит. Сила магнитного поля пропорциональна количеству витков и величине тока.

Создавая сильное магнитное поле внутри соленоида, магнитные материалы могут намагничиваться. Магнит, образованный созданием магнитного поля внутри соленоида, называется 9.0025 электромагнит . Примеры задач количество тока, протекающего через него,

(ii) увеличение расстояния точки от катушки,

(iii) увеличение числа витков катушки.

Решение:

(i) Магнитное поле, создаваемое круглой катушкой с током, прямо пропорционально току, протекающему через катушку. Следовательно, с увеличением величины магнитного поля ток, протекающий через катушку, будет увеличиваться.

(ii) Величина магнитного поля в точке катушки с током обратно пропорциональна расстоянию. Следовательно, с увеличением расстояния магнитное поле будет уменьшаться.

(iii) Создаваемое магнитное поле напрямую зависит от тока, протекающего через круглую катушку. Если количество витков катушки увеличивается, то ток, протекающий в катушке, также увеличивается, и, следовательно, магнитное поле будет увеличиваться с увеличением числа витков.

Задача 2. Как соленоид ведет себя как магнит?

Решение:

Поскольку соленоид имеет железный сердечник с изолированным медным проводом вокруг него, он ведет себя как магнит. Когда через соленоид протекает ток, вокруг него создается магнитное поле. И создаваемое поле похоже на магнитное поле стержневого магнита.

Проблема 3. Определить правило большого пальца правой руки?

Решение:

Это правило гласит: «Если проводник с током удерживается правой рукой, держа большой палец прямо, и если направление электрического тока в направлении большого пальца, то направление наматывания другие пальцы покажут направление магнитного поля».