Магнитное поле создается только – Магнитное поле создается только движущимися зарядами и действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды.

Магнитные поля создаются движущимися частицами :: SYL.ru

Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами, поэтому само понятие возникло в электродинамике одновременно с понятием «электрическое поле». Оно было введено сначала М. Фарадеем, а чуть позже — Дж. Максвеллом, чтобы объяснить, почему электрические заряды имеют такую относительно небольшую дальность взаимодействия.

В эфире

Отцы электродинамики считали, что поле создается путем деформации эфира — невидимой умозрительной среды, заполняющей все сущее (Эйнштейн во время работы над теорией относительности упразднил понятие эфира). Хотя современным людям это и может показаться странным, но до 20 века физики действительно не сомневались в некой субстанции, пронизывающей все сущее. То, как магнитные поля создаются и какова их природа, физики не могли объяснить.

Когда в обиход вошла специальная теория относительности (СТО), а эфир «официально убрали», пространство стало «пустым», однако поля даже в вакууме продолжали взаимодействовать, а ведь это невозможно между нематериальными объектами (по крайней мере согласно СТО), поэтому физики сочли нужным присвоить некоторые атрибуты электрическим и магнитным полям. Создаются такие понятия, как масса, импульс и энергия полей.

Свойства магнитного поля

Первое его свойство объясняет природу происхождения: магнитное поле может возникнуть только под воздействием движущихся зарядов (электронов) электрического тока. Силовая характеристика магнитного поля называется магнитной индукцией, она присутствует в любой точке поля.

Воздействие поля распространяется только на движущиеся заряды, магниты и проводники. Оно может быть двух типов: переменного и постоянного. Измерить магнитное поле можно только с помощью специальных приборов, оно не фиксируется человеческими органами чувств (хотя биологи считают, что некоторые животные могут воспринимать изменения в нем). Суть еще одного свойства магнитного поля состоит в том, что оно имеет электродинамическую природу не только потому, что может влиять только на движущиеся заряды, но и потому, что само порождается движением зарядов.

Как увидеть

Хотя органы чувств человека и не могут зафиксировать присутствие магнитного поля, его направление можно определить с помощью намагниченной стрелки. Однако «увидеть» магнитное поле можно с помощью листа бумаги и простых железных опилок. На постоянный магнит необходимо положить лист бумаги, а опилки посыпать сверху, после чего железная стружка выстроится по замкнутым и непрерывным силовым линиям.

Направленность силовых линий определяется с помощью правила правой руки, которое также носит название «правило буравчика». Если взять проводник в руку таким образом, чтобы большой палец был по направлению тока (ток движется от минуса к плюсу), то остальные пальцы укажут направление силовых линий.

Геомагнетизм

Магнитные поля создаются движущимися зарядами, но тогда какова природа геомагнетизма? Наша планета обладает магнитным полем, которое защищает ее от вредного солнечного излучения, причем диаметр поля в несколько раз превосходит диаметр Земли. По форме оно неоднородно, на «солнечной стороне» сжимается под воздействием солнечного ветра, а с ночной стороны растягивается в виде длинного широкого хвоста.

Считается, что на нашей планете магнитные поля создаются движением токов в ядре, которое состоит из жидкого металла. Это называется «гидромагнитное динамо». Когда вещество достигает температуры в несколько тысяч градусов по Кельвину, его проводимость становится достаточно высокой, чтобы движения, даже в среде со слабым намагничиванием, начали создавать электрические токи, которые, в свою очередь, и создают магнитные поля.

В локальных областях магнитные поля создаются намагниченными горными породами из верхних слоев планеты, образующих земную кору.

Движение полюсов

С 1885 года началась регистрация движения магнитных полюсов. За последний век южный полюс (полюс в Южном полушарии) переместился на 900 километров, а северный (арктический) магнитный полюс с 1973 года за 11 лет переместился на 120 км, а за следующие десять лет — еще на 150. Согласно последним данным, скорость смещения арктического полюса увеличилась с 10 километров в год до 60.

Хотя ученые знают, как создается магнитное поле Земли, повлиять на движение полюсов не могут и предполагают, что довольно скоро произойдет очередная инверсия. Это естественный процесс, такое на планете не впервые, однако чем подобный процесс обернется для людей — неизвестно.

www.syl.ru

Магнитное поле.

Магнитные явления
были известны еще в древнем мире. Компас
был изобретен более 4500 лет тому назад.
Он появился в Европе приблизительно в
XII веке новой эры. Однако только в
XIX веке была обнаружена связь между
электричеством и магнетизмом и возникло
представление о магнитном
поле
.

Магнитное поле4
составляющая
электромагнитного поля, появляющаяся
при наличии изменяющегося во времени
электрического поля. Изменяющееся во
времени электрическое поле может
создаваться током заряженных частиц
либо магнитными моментами электронов
в атомах (постоянные магниты).

Ученые XIX века
пытались создать теорию магнитного
поля по аналогии с электростатикой,
вводя в рассмотрение так называемые
магнитные
заряды двух
знаков (например, северный N и южный S
полюса магнитной стрелки). Однако, опыт
показывает, что изолированных магнитных
зарядов не существует.

Магнитное поле
токов принципиально отличается от
электрического поля. Магнитное поле, в
отличие от электрического, оказывает
силовое действие только
на движущиеся заряды (токи).

Для описания
магнитного поля необходимо ввести
силовую характеристику поля,аналогичную вектору
напряженности Е
электрического поля. Такой характеристикой
является вектор магнитной индукции В.
Вектор
магнитной индукции

В определяет
силы, действующие на токи или движущиеся
заряды в магнитном поле.

За положительное
направление
вектора В
принимается направление от южного
полюса S к северному полюсу N магнитной
стрелки, свободно устанавливающейся в
магнитном поле. Таким образом, исследуя
магнитное поле, создаваемое током или
постоянным магнитом, с помощью маленькой
магнитной стрелки, можно в каждой точке
пространства определить направление
вектора В. Такое исследование позволяет
представить пространственную структуру
магнитного поля. Аналогично силовым
линиям
в
электростатике можно построить линии
магнитной индукции
,
в каждой точке которых вектор В направлен
по касательной. Пример линий магнитной
индукции полей постоянного магнита и
катушки с током приведен на рис. 2.

1

Рисунок 2.

Линии
магнитной индукции полей постоянного
магнита и катушки с током. Индикаторные
магнитные стрелки ориентируются по
направлению касательных к линиям
индукции.

Обратите внимание
на аналогию магнитных полей постоянного
магнита и катушки с током. Линии магнитной
индукции всегда замкнуты, они нигде не
обрываются. Это означает, что магнитное
поле не имеет источников – магнитных
зарядов. Силовые поля, обладающие этим
свойством, называются вихревыми.
Картину магнитной индукции можно
наблюдать с помощью мелких железных
опилок, которые в магнитном поле
намагничиваются и, подобно маленьким
магнитным стрелкам, ориентируются вдоль
линий индукции.

Для того, чтобы
количественно описать магнитное поле,
нужно указать способ определения не
только направления вектора В, но и его
модуля. Проще всего это сделать, внося
в исследуемое магнитное поле проводник
с током и измеряя силу, действующую на
отдельный прямолинейный участок этого
проводника. Этот участок проводника
должен иметь длину Δl,
достаточно малую по сравнению с размерами
областей неоднородности магнитного
поля. Как показали опыты Ампера, сила,
действующая на участок проводника,
пропорциональна силе тока I, длине Δl
этого участка и синусу угла α между
направлениями тока и вектора магнитной
индукции:

 

Эта сила называется
силой Ампера.
Она достигает максимального по модулю
значения Fmax,
когда проводник с током ориентирован
перпендикулярно линиям магнитной
индукции. Модуль вектора В определяется
следующим образом:

Модуль вектора
магнитной индукции равен отношению
максимального значения силы Ампера,
действующей на прямой проводник с током,
к силе тока I в проводнике и его длине
Δl:

 

В общем случае
сила Ампера выражается соотношением:

 

Это соотношение
принято называть законом
Ампера.

В системе единиц
СИ за единицу магнитной индукции принята
индукция такого магнитного поля, в
котором на каждый метр длины проводника
при силе тока 1 А действует максимальная
сила Ампера 1 Н. Эта единица называется
тесла
(Тл).

  Тесла – очень
крупная единица. Магнитное поле Земли
приблизительно равно 0,5·10–4 Тл.
Большой лабораторный электромагнит
может создать поле не более 5 Тл.

Сила Ампера
направлена перпендикулярно вектору
магнитной индукции В и направлению
тока, текущего по проводнику. Для
определения направления силы Ампера
обычноиспользуют
правило левой
руки
: если
расположить левую руку так, чтобы линии
индукции В входили в ладонь, а вытянутые
пальцы были направлены вдоль тока, то
отведенный большой палец укажет
направление силы, действующей на
проводник (рис. 3).

2

Рисунок 3.

Правило
левой руки и правило буравчика.

Если угол α между
направлениями вектора В и тока в
проводнике отличен от 90°, то для
определения направления силы Ампера F
более удобно пользоваться правилом
буравчика
:
воображаемый буравчик располагается
перпендикулярно плоскости, содержащей
вектор В и проводник с током, затем его
рукоятка поворачивается от направления
тока к направлению вектора В. Поступательное
перемещение буравчика будет показывать
направление силы Ампера F
(рис. 3). Правило буравчика часто
называют правилом
правого винта.

Магнитное поле
постоянных токов различной конфигурации
изучалось экспериментально французскими
учеными Ж. Био и Ф. Саваром (1820 г.).
Они пришли к выводу, что индукция
магнитного поля токов, текущих по
проводнику, определяется совместным
действием всех отдельных участков
проводника. Магнитное поле подчиняется
принципу
суперпозиции:

Если магнитное
поле создается несколькими проводниками
с током, то индукция результирующего
поля есть векторная сумма индукций
полей, создаваемых каждым проводником
в отдельности.

Индукцию В
проводника с током можно представить
как векторную сумму элементарных
индукций создаваемых отдельными
участками проводника.

На опыте невозможно
осуществить отдельный участок проводника
с током, так как постоянные токи всегда
замкнуты. Можно измерить только суммарную
индукцию магнитного поля, создаваемого
всеми элементами тока. Закон
Био–Савара

определяет вклад в магнитную индукцию
результирующего магнитного поля,
создаваемый малым участком Δl проводника
с током I.

 

Здесь
r – расстояние от данного участка Δl до
точки наблюдения, α – угол между
направлением на точку наблюдения и
направлением тока на данном участке,
μ0
– магнитная постоянная. Направление
вектора определяется правилом
буравчика.

studfiles.net

Магнитное поле Процесс формирования

• Содержание .

• 1 Чем создаётся

• 2 Вычисление

• 3 Магнитные свойства веществ

• 4 Проявление магнитного поля

• 5 Взаимодействие двух магнитов

• 6 Явление электромагнитной индукции

• 7Токи Фуко

Данная работа созданна ученицей

9 «а» класса средней школы №181 Хазарского района

Мамедовой Сабиной.

Учитель: Насирова Б.И.

• Магнитное поле формируется изменяющимся во времени электрическим полем либо собственными магнитными моментами частиц. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц.

• В простых случаях магнитное поле может быть найдено из закона Био — Савара — Лапласа или теоремы о циркуляции (она же — закон Ампера). В более сложных ситуациях ищется как решение уравнений Максвелла.

• Антиферромагнетики — магнитные моменты вещества направлены противоположно и равны по силе.

• Диамагнетики — вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля.

• Парамагнетики — вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля.

• Ферромагнетики — вещества, в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов

• Ферримагнетики — материалы, у которых магнитные моменты вещества направлены противоположно, но не равны по силе.

• Магнитное поле проявляется в воздействии на магнитные моменты частиц и тел, на движущиеся заряженные частицы (или проводники с током). Сила, действующая на движущуюся в магнитном поле электрически заряженную частицу, называется силой Лоренца, которая всегда направлена перпендикулярно к вектору [1]. Она пропорциональна заряду частицы , составляющей скорости , перпендикулярной направлению вектора магнитного поля , и величине индукции магнитного поля .

• Также магнитное поле действует на проводник с током. Сила, действующая на проводник будет называться силой Ампера. Эта сила складывается из сил, действующих на отдельные движущиеся внутри проводника заряды.

• Наиболее часто встречаемое проявление магнитного поля — взаимодействие двух магнитов: подобные полюса отталкиваются, противоположные притягиваются. Представляется заманчивым описать взаимодействие между магнитами, как взаимодействие между двумя монополями, но эта идея не приводит к правильному описанию явления.

• Правильнее будет сказать, что на магнитный диполь помещённый в неоднородное поле действует сила, которая стремится повернуть его так, чтобы магнитный момент диполя был сонаправлен с магнитным полем.

• Сила, действующая на магнит со стороны неоднородного магнитного поля, может быть также определена суммированием всех сил, действующих на элементарные диполи, составляющие магнит.

• Если поток вектора магнитной индукции через замкнутый контур меняется во времени, в этом контуре возникает ЭДС электромагнитной индукции.

• Вихревые токи, токи Фуко (в честь Фуко, Жан Бернар Леон) — вихревые индукционные токи, возникающие в массивных проводниках при изменении пронизывающего их магнитного потока.








mirznanii.com

Магнитное поле | Virtual Laboratory Wiki

Картина силовых линий магнитного поля, создаваемого постоянным магнитом в форме стержня. Железные опилки на листе бумаги.

Магни́тное по́ле — составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц, либо магнитными моментами электронов в атомах (постоянные магниты). Основной характеристикой магнитного поля является его сила, определяемая вектором магнитной индукции $ \vec{\mathbf{B}} $ (вектор индукции магнитного поля)[1]. В СИ магнитная индукция измеряется в Тесла (Тл).

Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом.

Можно также рассматривать магнитное поле, как релятивистскую составляющую электрического поля. Точнее, магнитные поля являются необходимым следствием существования электрических полей и специальной теории относительности.
Вместе, магнитное и электрическое поля образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются свет и прочие электромагнитных волны.

    Чем создаётся магнитное поле Править

    Магнитное поле формируется изменяющимся во времени электрическим полем либо собственными магнитными моментами частиц. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц. В простых случаях оно может быть найдено из закона Био — Савара — Лапласа или теоремы о циркуляции (она же — закон Ампера). В более сложных ситуациях ищется как решение уравнений Максвелла.

    Пояснение от Макеева Править

    Магнитное поле есть поле из множества под квантов магнитного поля — магнитонов.

    В вакууме фантомные, виртуальные и реальные магнитоны и анти магнитоны, движущиеся приблизительно изотропно во всех направлениях и со всех направлений относительно каждой из множества областей-точек разных масштабных уровней взаимно интерферируют, спутываются, но не погашают друг друга. Поэтому вдали от полюсов магнитного поля и зарядов статического электричества вакуум магнитно нейтрален.

    Магнитное поле вблизи полюса магнитного знака «юг» направлено от полюса юг в форме потоков под квантов магнитного поля магнитонов. Встречно-перпендикулярно потокам под квантов магнитного поля магнитонам из вакуума выпутываются и летят анти подкванты магнитного поля анти магнитоны.

    Магнитное поле вблизи полюса магнитного знака «север» направлено от полюса север в форме потоков анти под квантов магнитного поля анти магнитонов. Встречно-перпендикулярно потокам под квантов магнитного поля магнитонам из вакуума выпутываются и летят подкванты магнитного поля магнитоны.

    Вихревой под квант магнитного поля градиента юг-север есть магнитон , состоит из под квантов электростатического поля электрино и анти электрино, которые обращаются вокруг друг друга по часовой стрелке относительно вектора своего движения. Имеет скорость движения в корень квадратный из двух раз быстрее скорости фотона в вакууме.

    Анти магнитон есть вихревой анти под квант градиента север-юг, состоит из под квантов электростатического поля электрино и анти электрино, которые обращаются вокруг друг друга против часовой стрелки относительно вектора своего движения. Имеет скорость движения в корень квадратный из двух раз быстрее скорости фотона в вакууме.

    Магнитон в составе материи фотона, двигаясь под углом 45 градусов к вектору движения фотона, на под квант шаге в четверть длины волны фотона от оси движения фотона выпутывает-возбуждает анти магнитон из спутанностей потоков виртуальных под квантов материи вакуума.

    Анти магнитон в составе материи фотона, двигаясь под углом 45 градусов к вектору движения фотона, на под квант шаге в четверть длины волны фотона от оси движения фотона выпутывает-возбуждает магнитон из спутанностей потоков виртуальных под квантов материи вакуума.

    Проявление магнитного поля Править

    Магнитное поле проявляется в воздействии на магнитные моменты частиц и тел, на движущиеся заряженные частицы (или проводники с током). Сила, действующая на движущуюся в магнитном поле электрически заряженную частицу, называется силой Лоренца, которая всегда направлена перпендикулярно к вектору $ \vec v\, $[2]. Она пропорциональна заряду частицы $ q\! $, составляющей скорости $ \vec v\! $, перпендикулярной направлению вектора магнитного поля $ \vec B $, и величине индукции магнитного поля $ B\! $.
    В системе единиц СИ сила Лоренца выражается так:

    $ F=q[\vec v\times\vec B]=qvB\sin\alpha \, $

    где $ \alpha\! $ — угол между направлением вектора скорости частицы $ \vec v $ и направлением вектора магнитного поля $ \vec B $.

    Также магнитное поле действует на проводник с током. Сила, действующая на проводник будет называться силой Ампера. Эта сила складывается из сил, действущих на отдельные движущиеся внутри проводника заряды.

    Взаимодействие двух магнитов Править

    Наиболее часто встречаемое проявление магнитного поля — взаимодействие двух магнитов: подобные полюса отталкиваются, противоположные притягиваются. Представляется заманчивым описать взаимодействие между магнитами, как взаимодействие между двумя монополями, но эта идея не приводит к правильному описанию явления.

    Правильнее будет сказать, что на магнитный диполь помещённый в неоднородное поле действует сила, которая стремится повернуть его так, чтобы магнитный момент диполя был сонаправлен с магнитным полем.

    Сила, действующая на магнитный диполь с магнитным моментом $ \mathbf{m} $ выражается по формуле:

    $ \mathbf{F} = \mathbf{\nabla} \left(\mathbf{m}\cdot\mathbf{B}\right) $.

    Сила, действующую на магнит со стороны неоднородного магнитного поля, может быть также определенна суммированием всех сил, действующих на элементарные диполи, составляющие магнит.

    Явление электромагнитной индукции Править

    Если поток вектора магнитной индукции через замкнутый контур меняется во времени, в этом контуре возникает ЭДС электромагнитной индукции.

    Математическое представление Править

    Термин магнитное поле применяется к двум различным векторным полям, обозначаемым как $ \mathbf{H} $ и $ \mathbf{B} $. Несмотря на это, термин «магнитное поле» исторически относится к $ \mathbf{H} $, в то время как $ \mathbf{B} $ называется магнитной индукцией, в настоящее время $ \mathbf{B} $ понимается как более фундаментальная величина. Величина $ \mathbf{H} $ называется напряженностью магнитного поля.

    Единицы измерения Править

    Величина $ \mathbf{B} $ в системе единиц СИ измеряется в теслах, в системе СГС в гауссах.

    Векторное поле $ \mathbf{H} $ измеряется в амперах на метр (А/м) в системе СИ и в эрстедах в СГС.

    Энергия магнитного поля Править

    Энергию магнитного поля можно найти по формуле:

    $ W = {{\Phi I} \over 2} = {{L I^2} \over 2} $

    где:

    Φ — магнитный поток,
    I — ток,
    L — индуктивность катушки или витка с током.
    1. ↑ Яворский Б.М. и Детлаф А.А. Справочник по физике: 2-е изд., перераб.-М.: Наука, Главная редакция физико-матеметической литературы, 1985,-512 с.
    2. ↑ Яворский Б.М. и Детлаф А.А. Справочник по физике: 2-е изд., перераб.-М.: Наука, Главная редакция физико-матеметической литературы, 1985,-512 с.

    Эта страница использует содержимое раздела Википедии на русском языке. Оригинальная статья находится по адресу: Магнитное поле. Список первоначальных авторов статьи можно посмотреть в истории правок. Эта статья так же, как и статья, размещённая в Википедии, доступна на условиях CC-BY-SA .


    ru.vlab.wikia.com

    Магнитное поле | Физика

    Магнитное поле — одна из форм материи (отличная от вещества), существующая в пространс­тве, окружающем постоянные магниты, проводники с током и движущиеся заряды. Магнитное поле вместе с электрическим полем образует единое электромагнитное поле.

    Магнитное поле не только создается постоянными магнитами, движущимися зарядами и тока­ми в проводниках, но и действует на них же.

    Термин «магнитное поле» был введен в 1845 г. М. Фарадеем. К тому времени был уже извес­тен ряд явлений электродинамики, требующих объяснения. К ним относятся, в частности, сле­дующие.

    1. Явление взаимодействия постоянных магнитов (установление магнитной стрелки вдоль магнитного меридиана Земли, притяжение разноименных полюсов, отталкивание одноименных), известное с древних времен и систематически исследованное У. Гильбертом (результаты опубли­кованы в 1600 г. в его трактате «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле»).

    2. В 1820 г. датский ученый Г. X. Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, помещенная вблизи проводника, по которому течет ток, поворачивается, стремясь расположиться перпендику­лярно проводнику.


    3. В том же году французский физик Ампер, которого заинтере­совали опыты Эрстеда, обнаружил взаимодействие двух прямолиней­ных проводников с током. Оказалось, что если токи в проводниках текут в одну сторону, т. е. параллельны, то проводники притягивают­ся (рис. 3.31, а), если в противоположные стороны (т. е. антипарал-лельны), то отталкиваются .

    Взаимодействия между проводниками с током, т. е. взаимодейс­твия между движущимися электрическими зарядами, называют маг­нитными, а силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, — магнитными силами.

    Согласно теории близкодействия, которой придерживался М. Фа-радей, ток в одном из проводников не может непосредственно влиять на ток в другом проводнике. Аналогично случаю с неподвижными электрическими зарядами, вокруг которых существует электричес­кое поле, был сделан вывод, что в пространстве, окружающем токи, существует магнитное поле, которое действует с некоторой силой на другой проводник с током, помещенный в это поле, либо на посто­янный магнит. В свою очередь, магнитное поле, создаваемое вторым проводником с током, действует на ток в первом проводнике. 
    Подобно тому как электрическое поле обнаруживается по его воздействию на пробный заряд, внесенный в это поле, магнитное поле можно обнаружить по ориентирующему действию магнит­ного поля на рамку с током малых (по сравнению с расстояниями, на которых магнитное поле заметно меняется) размеров. Провода, подводящие ток к рамке, следует сплести (или расположить близко друг к другу), тогда результирующая сила, действующая со стороны маг­нитного поля на эти провода, будет равна нулю. Силы же, действующие на такую рамку с током, будут ее поворачивать, так что ее плоскость установится перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. В примере, приведенном на рис. 3.32, рамка повернется так, чтобы проводник с током оказался в плоскости рамки. При изменении направления тока в проводнике рамка по­вернется на 180°. В поле между полюсами постоянного магнита рамка повернется плоскостью перпендикулярно магнитным силовым линиям магнита

    ibrain.kz

    магнитное поле

    СРС

    Тема: Магнитное
    поле

    Подготовил:
    Байгарашев Д.М.

    Проверила: Габдуллина
    А.Т.

    Магнитное
    Поле

    Если два
    параллельно расположенных проводника
    подсоединить к источнику тока так, чтобы
    по ним прошел электрический ток, то в
    зависимости от направления тока в них
    проводники либо отталкиваются, либо
    притягиваются.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    где n01=
    4Пи
    10-7В
    • с/(А • м). — магнитная постоянная, R —
    расстояние, I — сила тока в проводнике.

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

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

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

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

    где I —
    сила тока в проводнике, l
    длина
    проводника, В — модуль вектора магнитной
    индукции, а — угол между вектором и
    направлением тока.

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

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

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

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

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

    где l
    часть
    проводника, находящаяся в магнитном
    поле. Если токи одного направления, то
    проводники притягиваются (рис. 60), если
    противоположного направления —
    отталкиваются. Силы, действующие на
    каждый проводник, равны по модулю,
    противоположны по направлению. Формула
    (3.22) является основной для определения
    единицы силы тока 1 ампер (1 А).

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

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

    Рассмотрим природу магнитных
    свойств веществ.

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

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

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

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

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

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

    взаимно
    компенсируют друг друга. При внесении
    ферромагнитного образца во внешнее
    магнитное поле происходит смещение
    границ отдельных доменов так, что объем
    доменов, ориентированных по внешнему
    полю, увеличивается.

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

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

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

    Петля гистерезиса
    характеризуется следующими величинами
    Bs,
    Br,
    Bc.
    Bs —
    максимальное значение индукции материала
    при В0s;
    Вr —
    остаточная индукция, равная значению
    индукции в материале при уменьшении
    индукции внешнего магнитного поля от
    B0s до
    нуля; -Вс и
    Вс —
    коэрцитивная сила — величина, равная
    индукции внешнего магнитного поля,
    необходимого для изменения индукции в
    материале от остаточной до нуля.

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

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

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

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

    studfiles.net

    Интересные Факты — Что такое магнитное поле

    Введение

    Что такое магнитное поле? Все о нем слышали, все видели, как намагниченная стрелка компаса всегда одним и тем же концом поворачивается в сторону северного магнитного полюса, а другим своим концом – всегда в сторону южного магнитного полюса. Человека от самого умного животного отличает то, что он любопытен, и хочет знать – а почему это так происходит, как это устроено, что так происходит. Именно для объяснения происходящего вокруг него древний человек придумал богов. Духи, боги в сознании людей были факторами, которыми обяснялось все, что человек видел, слышал, от чего зависела удача на охоте и на войне, кто передвигал Солнце по небу, кто устраивал грозу, проливал дождь и сыпал снег, в общем, все сущее, все происходящее. Представьте себе, к дедушке подходит маленький внук, показывает на молнию и спрашивает: что это такое, почему огонь из тучи летит в землю, и кто так громко стучит там в облаках? Если дед отвечал: не знаю, то внук смотрел на него с сожалением и начинал меньше уважать. Но когда дед говорил, что это бог Ярило ездит на колеснице по облакам и огненные стрелы в нехороших людей пускает, внук слушал и еще больше уважал своего деда. Он начинал меньше бояться грома и молнии, так как знал, что он же хороший, поэтому Ярило в него стрелять не станет.

    В раннем детстве, когда я начинал шалить, бабушка Анна говорила: «Шурка, смотри, не шали, а то боженька камешком стукнет». И при этом показывала на икону в красном углу на полке-божнице. Я на некоторое время притихал, с опаской посматривал на сурового мужика, нарисованного на доске, но как-то раз усомнился в его способности кидаться камнями. Поставил на лавку табуретку, влез на нее и заглянул на полку за икону. Никаких камушков я там не увидел, и когда бабка стала в очередной раз стращать меня, рассмеялся и заявил: «Никаких камней у него нет, и вообще он нарисованный и кидаться не может. И нечего пугать меня боженькой, я уже не маленький». Вот так же и наш далекий предок когда-то засомневался, что это Ярило по небу катается и стрелы пускает. Вот тогда-то и зародилось рациональное знание, когда люди засомневались во всемогуществе богов. Но чем же они их заменили? А заменили они богов законами природы, и крепко стали верить этим законам. Но там, где законами природы человек объяснить происходящее не может, он оставил место для богов. Именно поэтому религия и наука сосуществуют в обществе до сих пор.

    Помню, как старшие приятели показали нам, малышам, фокус. По столу сам по себе двигался положенный на стол железный гвоздь, а парень-фокусник под столом передвигал свою руку. Гвоздь следовал за рукой. Мы удивленно таращили на это глаза и не понимали, почему гвоздь движется. Когда я рассказал матери об этом фокусе, то она разъяснила, что в руке у парня был магнит, который притягивает к себе железо, что парень под столом двигал не просто рукой, а в руке у него был магнит. На тот момент это объяснение удовлетворило мое любопытство, но чуть позже я уже хотел понять, а почему магнит на расстоянии – через доску стола, через слой воздуха – притягивает к себе железо. На этот вопрос ни мама, ни отец мне ответить не смогли. Пришлось ждать до школы. Там на уроке физики учитель объяснил, что магнит действует на железо через магнитное поле, которое создает вокруг себя, что у магнита есть два полюса – северный и южный, что из северного выходят какие-то невидимые магнитные силовые линии, которые дугой изгибаются и входят в южный полюс.

    Тогда я впервые задумался: значит, в мире, кроме видимого, слышимого и осязаемого, есть кое-что невидимое и неосязаемое. Тогда я подумал: а что, если бог невидим и неосязаем – как это магнитное поле. Его вроде бы и нет нигде, а он все же существует. А на иконах в виде мужика его так, по глупости, изображают. Не знал я тогда, что до этого еще раньше меня додумался и философ Спиноза, который стал рассматривать Природу и Бога как единое и неразделимое, видимое и невидимое. Природа и есть Бог!

    Помню, я пытался представить это магнитное поле, состоящее из силовых линий, и ничего не понимал. Я этих линий не видел и не слышал. Они ничем не пахли, и поверить в то, что вокруг нас может быть что-то, что мы никак не ощущаем, мне тогда было не очень понятно. Железные гвозди и опилки чувствовали магнитное поле и ориентировались и двигались в нем, а я со своими тонкими органами чувств ничего не чувствовал. Эта ущербность меня откровенно угнетала. Но не одного меня. А. Эйнштейн писал о сильном удивлении от увиденных свойств магнита, который ему в детстве подарил на день рождения отец, от того, что он не мог понять, как и почему эти притягательные свойства магнита происходят.

    Когда учительница обществоведения уже в 10-м классе познакомила нас с определением материи, данным В.И. Лениным: «материя это то, что существует вокруг нас и дано нам в ощущениях», я возмущенно ее спросил: «а вот магнитное поле мы не ощущаем, а оно существует, оно что – разве не материя?». Да, одних органов чувств недостаточно, чтобы воспринимать все формы материи, требуется еще разум, с помощью которого если мы что-то и не чувствуем – не ощущаем, то понимаем, что оно есть. Поняв это, я решил изучать науки и развивать свой ум, надеясь, что это позволит мне многое понять. Но по мере того как я расширял пространство понятного мне, непонятное не исчезало, а только отодвигалось, и линия горизонта непонятного становилась все длиннее, так как круг познанного увеличивался и длина его окружности, отделяющая понятое моим разумом от непознанного и непонятного, тоже увеличивалась. В этом и состоит главный парадокс познания: чем больше мы узнаем и понимаем, тем больше мы еще не знаем. Об этом ученом незнании писал еще Николай Кузанский, которого почему-то считают философом схоластиком, хотя открытая им истина скорее говорит все же о том, что он был диалектиком.

    Первые упоминания о породах, способных притягивать железо, относятся к античным временам. С магнитом связана старинная легенда о пастухе Магнусе, который однажды обнаружил, что его железный посох и сандалии, подбитые железными гвоздями, притягиваются к неведомому камню. С тех пор данный камень стали именовать «камнем Магнуса», или магнитом.

    Происхождение и сущность магнитного поля Земли, как и магнитных полей вообще, и по сей день остается загадкой. Существует много гипотез – вариантов объяснения этого феномена, но истина по-прежнему «где-то там». Вот так определяют магнитное поле ученые физики: «Магнитное поле – это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения». И далее: «Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени). Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля». Я бы не сказал, что с логической точки зрения это блестящее определение. Сказать, что магнитное поле – это силовое поле, значит не сказать ничего, это – тавталогия. Ведь гравитационное поле – тоже силовое поле, и поле ядерных сил – силовое! Указание на воздействие магнитного поля на движущиеся электрические заряды кое о чем говорит, это описание одного из свойств магнитного поля. Но непонятно, действует ли магнитное поле непосредственно на частицы, имеющие электрические заряды, или оно действует на магнитные поля, образуемые этими частицами, а те (трансформированные поля частиц) уже в свою очередь действуют на частицы – передают им полученный импульс.

    Впервые магнитные явления начал изучать английский врач и физик Уильям Гильберт, написавший работу «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле». Тогда считали, что электричество и магнетизм не имеют ничего общего. Но в начале XIX в. датский ученый Г.Х. Эрстед в 1820 г. экспериментальным путем доказал, что магнетизм является одной из скрытых форм электричества, и подтвердил это на опыте. Этот опыт повлек за собой лавину новых открытий, имевших огромное значение. Вокруг проводников с электрическим током возникает поле, которое было названо магнитным. Пучок движущихся электронов оказывает действие на магнитную стрелку, аналогичное проводнику с током (опыт Иоффе). Конвекционные токи электрически заряженных частиц по своему действию на магнитную стрелку подобны токам проводимости (опыт Эйхенвальда).

    Магнитное поле создается только движущимися электрическими зарядами или движущимися электрически заряженными телами, а также постоянными магнитами. Этим магнитное поле отличается от электрического поля, которое создают как движущиеся, так и неподвижные электрические заряды.

    Линии вектора магнитной индукции (В) всегда замкнуты и охватывают проводник с током, а линии напряженности электрического поля начинаются на положительных и кончаются на отрицательных зарядах, они разомкнуты. Линии магнитной индукции постоянного магнита выходят из одного полюса, называемого северным (N) и входят в другой – южный (S). Вначале кажется, что здесь наблюдается полная аналогия с линиями напряженности электрического поля (Е). Полюса магнитов играют роль магнитных зарядов. Однако если разрезать магнит, картина сохраняется, получаются более мелкие магниты – но каждый со своими северным и южным полюсами. Магнитные полюса разделить так, что северный полюс будет у одного куска, а южный у другого, невозможно, потому что свободных (дискретных) магнитных зарядов, в отличие от дискретных электрических зарядов, в природе не существует.

    Магнитные поля, существующие в природе, разнообразны по масштабам и по вызываемым ими эффектам. Магнитное поле Земли, образующее земную магнитосферу, простирается на расстоянии 70–80 тысяч километров в направлении к Солнцу и на многие миллионы километров в обратном направлении. Происхождение магнитного поля Земли связывают с движениями жидкого вещества, проводящего электрически заряженные частицы в земном ядре. Мощными магнитными полями обладают Юпитер и Сатурн. Магнитное поле Солнца играет важнейшую роль во всех происходящих на Солнце процессах – вспышках, появлении пятен и протуберанцев, рождении солнечных космических лучей. Магнитное поле широко применяется в различных отраслях промышленности: при погрузке железного лома, при очистке муки на хлебозаводах от металлических примесей, а также в медицине для лечения больных.

    Что такое магнитное поле

    Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции. Нередко вектор магнитной индукции называется для краткости просто магнитным полем (хотя, наверное, это не самое строгое употребление термина). Вообще-то вектор – это величина, имеющая направление в пространстве, следовательно, можно говорить и о направлении магнитной индукции и о ее величине. Но сказать, что магнитное поле – это только направление магнитной индукции, значит, не очень-то и много разъяснить. Есть еще одна характеристика магнитного поля – векторный потенциал. В качестве основной характеристики магнитного поля в вакууме выбирают не вектор магнитной индукции, а вектор напряжённости магнитного поля. В вакууме эти два вектора совпадают, а в веществе нет, но с систематической точки зрения следует считать основной характеристикой магнитного поля именно векторный потенциал.

    Так вдоль силовых линий распределяются железные опилки в магнитном поле между его полюсами – северным (N) и южным (S).

    Электрический ток (I), проходя по проводнику, создаёт магнитное поле (B) вокруг проводника.

    Магнитное поле можно назвать особым видом материи, посредством которого осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом. Магнитные поля являются необходимым (в контексте специальной теории относительности) следствием существования электрических полей. Магнитное и электрическое поля вместе образуют электромагнитное поле, проявлениями которого являются, в частности, свет и все другие электромагнитные волны. С точки зрения квантовой теории поля, магнитное взаимодействие – как частный случай электромагнитного взаимодействия – переносится фундаментальным безмассовым  бозоном – фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля), часто (например, во всех случаях статических полей) виртуальным. Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времени электрическим полем, или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам).

    По-моему, эти определения весьма туманны. Понятно, что магнитное поле – не пустота, а особый вид материи – часть реального мира. Понятно, что магнитное поле неразрывно связано с движением электрических зарядов – электрическим током. А вот как магнитное поле с электрическим полем образуют единое электромагнитное поле, непонятно. Скорее всего, существует некое единое поле, которое в зависимости от обстоятельств проявляет себя то как магнитное поле, то как электрическое. Прямо как гермафродит какой-то, который в определенных обстоятельствах может быть мальчиком, а в других обстоятельствах – девочкой.

    Сила, действующая на движущуюся в магнитном поле электрически заряженную частицу, называется силой Лоренца. Эта сила всегда направлена перпендикулярно к вектору скорости движения частицы – v и векторному потенциалу магнитного поля – B. Эта сила пропорциональна заряду частицы q, ее скорости v, перпендикулярна направлению вектора магнитного поля B и пропорциональна величине индукции магнитного поля B. Поясню тем, кто совсем позабыл школьную физику: сила – это причина, вызывающая ускорение движения тел. Здесь сила действует не на массу частицы, а на ее заряд. Этим сила Лоренца отличается от силы гравитации, которая действует на массу частиц (тел), поскольку масса тела – это его гравитационный заряд.

    Магнитное поле действует и на проводник с током. Сила, действующая на проводник с током, называется силой Ампера. Эта сила складывается из сил, действующих на отдельные движущиеся внутри проводника электрические заряды. Это и есть сила тока, измеряемая в амперах.

    При взаимодействии двух магнитов их одинаковые полюсы отталкиваются, а противоположные притягиваются. Однако детальный анализ показывает, что на самом деле это не полностью правильное описание явления. Непонятно, почему в рамках такой модели диполи никогда не могут быть разделены. Эксперимент показывает, что никакое изолированное тело на самом деле не обладает магнитным зарядом одного знака. Всякое намагниченное тело имеет два полюса – северный и южный. На магнитный диполь, помещённый в неоднородное магнитное поле, действует сила, которая стремится повернуть его так, чтобы магнитный момент диполя был сонаправлен (совпадал по направлению) с магнитным полем, в которое этот магнитный диполь поместили.

    В 1831 г. Майкл Фарадей обнаружил, что в замкнутом проводнике, если его поместить в изменяющемся магнитном поле, возникает электрический ток. Это явление получило название электромагнитная индукция.

    М. Фарадей обнаружил, что электродвижущая сила (ЭДС), возникающая в замкнутом проводящем контуре, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, проходящего через часть электрического контура, находящуюся в это магнитное поле. Величина (ЭДС) не зависит от того, что является причиной изменения потока – изменение самого магнитного поля или движение части контура в магнитном поле. Электрический ток, вызванный ЭДС, называется индукционным током. Это открытие позволило создать генераторы электрического тока и создать, по-сути, нашу электрическую цивилизацию. Кто бы мог подумать в 30-е годы XIX в., что открытие М. Фарадея было эпохальным цивилизационным открытием, определившим будущее человечества?

    В свою очередь, магнитное поле может создаваться и изменяться (ослабляться или усиливаться) переменным электрическим полем, создаваемым электрическими токами в виде потоков заряженных частиц. Микроскопическая структура вещества, помещенного в переменное магнитное поле, влияет на силу возникающего в нем тока. Одни структуры ослабляют возникающий электрический ток, а другие усиливают его в разной степени. Одно из первых исследований магнитных свойств вещества ваыполнил Пьер Кюри. В связи с этим вещества в отношении их магнитных свойств делятся на две основные группы:

    1. Ферромагнетики – вещества, в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов частиц вещества.

    2. Антиферромагнетики – вещества, в которых установился антиферромагнитный порядок магнитных моментов частиц вещества – атомов или ионов: магнитные моменты частиц вещества направлены противоположно и равны по силе.

    Различают также вещества диамагнетики и вещества парамагнетики.

    Диамагнетики – вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля.

    Парамагнетики – вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля.

    Типы упорядочения магнитных моментов атомов в парамагнитных (а), ферромагнитных (б) и антиферромагнитных (в) веществах. Рисунок с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

    К перечисленным выше группам веществ в основном относятся обычные твердые, жидкие и газообразные вещества. От них существенно отличаются своим взаимодействием с магнитным полем сверхпроводники и плазмы.

    Магнитное поле ферромагнетиков (пример – железа) заметно на значительных расстояниях.

    Магнитные свойства парамагнетиков аналогичны свойствам ферромагнетиков, но выражены гораздо слабее – на меньшем расстоянии.

    Диамагнетики не притягиваются, а отталкиваются магнитом, сила, действующая на диамагнетики, направлена противоположно той, что действует на ферромагнетики и парамагнетики.

    Согласно правилу Ленца, магнитное поле индуцируемого в магнитном поле электрического тока направлено так, чтобы противодействовать изменению магнитного потока, индуцирующего этот ток. Хочу заметить, что взаимодействие переменного магнитного поля и индуцируемого им электрического тока и электрического поля соответствует принципу Ле-Шателье. Это не что иное, как автоторможение процесса, присущее всем процессам, происходящим в реальном мире.

    Согласно принципу Ле-Шателье, всякий процесс, происходящий в мире, порождает процесс, имеющий противоположное направление и тормозящий процесс, его вызывающий. По-моему, это один из главных законов мироздания, которому почему-то не уделяют должного внимание ни физики, ни философы.

    Все вещества в большей или меньшей степени обладают магнитными свойствами. Если два проводника с электрическими токами поместить в какую либо среду, то сила магнитного взаимодействия между токами изменяется. Индукция магнитного поля, создаваемого электрическими токами в веществе, отличается от индукции магнитного поля, создаваемого теми же токами в вакууме. Физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде отличается по модулю от индукции магнитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью. Максимальной магнитной проницаемостью обладает вакуум.

    Магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами атомов – электронов, протонов и нейтронов, входящих в состав атомов. Магнитные свойства протонов и нейтронов почти в 1000 раз слабее магнитных свойств электронов. Поэтому магнитные свойства вещества в основном определяются электронами, входящими в состав его атомов.

    Одним из важнейших свойств электрона является наличие у него не только электрического, но и магнитного поля. Собственное магнитное поле электрона, возникающее якобы при вращении его вокруг своей оси, называют спиновым полем (spin – вращение). Но электрон создает магнитное поле также и за счет своего движения вокруг ядра атома, которое можно уподобить круговому микротоку. Спиновые поля электронов и магнитные поля, обусловленные их орбитальными движениями, и определяют широкий спектр магнитных свойств веществ.

    Поведение парамагнетика (1) и диамагнетика (2) в неоднородном магнитном поле. Рисунок с сайта :http://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/ paragraph29/theory.html

    Вещества крайне разнообразны по своим магнитным свойствам. Например, платина, воздух, алюминий, хлористое железо – парамагнетики, а медь, висмут, вода – диамагнетики. Образцы из парамагнетика и диамагнетика, помещенные в неоднородное магнитное поле между полюсами электромагнита, ведут себя по-разному – парамагнетики втягиваются в область сильного поля, а диамагнетики, наоборот, выталкиваются из него.

    Пара- и диамагнетизм объясняется поведением электронных орбит во внешнем магнитном поле. У атомов диамагнитных веществ в отсутствие внешнего поля собственные магнитные поля электронов и поля, создаваемые их орбитальным движением, полностью скомпенсированы. Возникновение диамагнетизма связано с действием силы Лоренца на электронные орбиты. Под действием этой силы изменяется характер орбитального движения электронов и нарушается компенсация магнитных полей. Возникающее при этом собственное магнитное поле атома оказывается направленным против направления индукции внешнего поля.

    В атомах парамагнитных веществ магнитные поля электронов скомпенсированы не полностью, и атом оказывается подобным маленькому круговому току. В отсутствие внешнего поля эти круговые микротоки ориентированы произвольно, так что суммарная магнитная индукция равна нулю. Внешнее магнитное поле оказывает ориентирующее действие – микротоки стремятся сориентироваться так, чтобы их собственные магнитные поля оказались направленными по направлению индукции внешнего поля. Из-за теплового движения атомов ориентация микротоков никогда не бывает полной. При усилении внешнего поля ориентационный эффект возрастает, так что индукция собственного магнитного поля парамагнитного образца растет прямо пропорционально индукции внешнего магнитного поля. Полная индукция магнитного поля в образце складывается из индукции внешнего магнитного поля и индукции собственного магнитного поля, возникшего в процессе намагничивания.

    Диамагнитными свойствами обладают атомы любых веществ, но во многих случаях их диамагнетизм маскируется сильным парамагнитным эффектом. Явление диамагнетизма было открыто М. Фарадеем в 1845 г.

    Ферромагнетики могут сильно намагничиваться в магнитном поле, их магнитная проницаемость очень велика. К рассматриваемой группе относятся четыре химических элемента: железо, никель, кобальт, гадолиний. Из них наибольшей магнитной проницаемостью обладает железо. Ферромагнетиками могут быть различные сплавы этих элементов, например, керамические ферромагнитные материалы – ферриты.

    Для каждого ферромагнетика существует определенная температура (так называемая температура или точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком. У железа, например, температура Кюри равна 770°C, у кобальта 1130°C, у никеля 360°C.

    Ферромагнитные материалы бывают магнито-мягкие и магнито-жесткие. Магнито-мягкие ферромагнитные материалы почти полностью размагничиваются, когда внешнее магнитное поле становится равным нулю. К магнито-мягким материалам относится, например, чистое железо, электротехническая сталь и некоторые сплавы. Эти материалы применяются в приборах переменного тока, в которых происходит непрерывное перемагничивание, то есть изменение направления магнитного поля (трансформаторы, электродвигатели и т. п.).

    Магнито-жесткие материалы в значительной мере сохраняют свою намагниченность и после удаления их из магнитного поля. Примерами магнито-жестких материалов могут служить углеродистая сталь и ряд специальных сплавов. Магнито-жесткие материалы используются в основном для изготовления постоянных магнитов.

    Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является гистерезис, то есть зависимость намагничивания от предыстории образца. Кривая намагничивания B (B0) ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса.

    Зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от индукции внешнего магнитного поля. Намагничивается ферромагнетик вначале быстро, но достигнув максимума, намагничивается все медленнее. Рисунок с сайта :http://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter1/section/ paragraph29/theory.html

    Типичная петля гистерезися для магнитно-твердого ферромагнитного материала. В точке 2 достигается магнитное насыщение. Отрезок 1–3 определяет остаточную магнитную индукцию, а отрезок 1–4 – коэрцитивную силу, характеризующую способность образца противостоять размагничиванию. Рисунок с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

    Природа ферромагнетизма может быть понята на основе квантовых представлений. Ферромагнетизм объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов. В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация. В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области. Эти области называются доменами. Каждый домен представляет из себя небольшой постоянный магнит.

    Иллюстрация процесса намагничивания ферромагнитного образца:

    а – вещество в отсутствие внешнего магнитного поля: его отдельные атомы, являющиеся маленькими магнитами, расположены хаотически; б – намагниченное вещество: под действием внешнего поля атомы ориентируются относительно друг друга в определенном порядке в соответствии с направлением внешнего поля. Рис. с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

     

    Домены в теории магнетизма – это малые намагниченные области материала, в которых моменты магнтного поля атомов ориентированы параллельно друг другу. Домены отделены друг от друга переходными слоями, называемыми блоховскими стенками. На рисунке показаны два домена с противоположной магнитной ориентацией и блоховская стенка между ними с промежуточной ориентацией. Рисунок с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.html

    В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов индукции магнитных полей в различных доменах ориентированы в большом кристалле хаотически. Такой кристалл оказывается ненамагниченным. При наложении же внешнего магнитного поля происходит смещение границ доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается. С увеличением индукции внешнего поля возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. В очень сильном магнитном внешнем поле домены, в которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает магнитное насыщение.

    Следует однако помнить, что все эти рисунки и изображенные на них домены и атомы – всего лишь схемы или модели реальных явлений магнетизма, но не сами явления. Ими пользуются до тех пор, пока они не противоречат наблюдаемым фактам.

    Простой электромагнит, предназначенный для захвата грузов. Источником энергии служит аккумуляторная батарея постоянного тока. Показаны также силовые линии поля электромагнита, которые можно выявить обычным методом железных опилок. Рисунок с сайта: http://encyclopaedia.biga.ru/enc/science_and_technology/ MAGNITI_I_MAGNITNIE_SVOSTVA_VESHCHESTVA.htmll

    Возникновение магнитного поля в окрестностях проводника, по которому пропущен постоянный электрический ток, иллюстрирует электромагнит. Ток проходит по проводу, который намотан на стержень из ферромагнетика. Намагничивающая сила в этом случае равна произведению величины электрического тока в катушке на число витков в ней. Эта сила измеряется в амперах. Напряженность магнитного поля Н равна намагничивающей силе, приходящейся на единицу длины катушки. Таким образом, величина Н измеряется в амперах на метр; ею определяется намагниченность, приобретаемая материалом внутри катушки. В вакууме магнитная индукция B пропорциональна напряженности магнитного поля Н.

    Индукция магнитного поля – это векторная величина, которая является силовой характеристикой магнитного поля. Направление магнитной индукции совпадает с направлением, который указывает магнитная стрелка в магнитном поле, а модуль данного вектора равен отношению модуля магнитной силы, которая действует на движущуюся перпендикулярно заряженную частицу, к модулю скорости и заряда этой частицы. Магнитная индукция согласно СИ измеряется в теслах (Тл). В системе СГС магнитная индукция измеряется в гауссах (Гс). При этом 1 Тл = 104 Гс.

    Крупные электромагниты с железными сердечниками и очень большим числом витков, работающие в непрерывном режиме, обладают большой намагничивающей силой. Они создают магнитную индукцию в промежутке между полюсами до 6 теслов (Тл). Величина индукции ограничивается механическими напряжениями, нагреванием катушек и магнитным насыщением сердечника.

    Ряд гигантских электромагнитов (без сердечника) с водяным охлаждением, и установок для создания импульсных магнитных полей был сконструирован П.Л. Капицей в Кембридже и в Институте физических проблем АН СССР, а также Ф. Биттером в Массачусетском технологическом институте. На таких магнитах удавалось достичь индукции до 50 Тл. Сравнительно небольшой электромагнит, создающий поля до 6,2 Тл, потребляющий электрическую мощность 15 кВт и охлаждаемый жидким водородом, был разработан в Лосаламосской национальной лаборатории. Подобные магнитные поля получают при очень низких температурах.

    Вектор магнитной индукции считается одной из физических величин, которая является фундаментальной в теории электромагнетизма, его можно встретить в огромном множестве уравнений, в каких-то случаях непосредственно, а иногда через напряженность магнитного поля, связанную с ним. Еединственной областью в классической теории электромагнетизма, в которой отсутствует вектор магнитной индукции, является, пожалуй, только чистая электростатика. 

    Ампер в 1825 г. предположил, что в магните в каждом его атоме циркулируют электрические микротоки. Но электрон был открыт лишь в 1897 г., а модель внутренней структуры атома – в 1913 г., почти 100 лет после гениальной догадки Ампера. В 1852 г. В. Вебер предположил, что каждый атом магнитного вещества представляет собой крошечный магнитный диполь. Предельная или полная намагниченность вещества достигается тогда, когда все отдельные атомные магнитики оказываются выстроенными в определенном порядке. Вебер полагал, что сохранять свое упорядочение этим элементарным магнитам помогает молекулярное или атомное «трение». Его теория объясняла намагничивание тел при их соприкосновении с магнитом и их размагничивание при ударе или нагреве. Объяснялось и «размножение» магнитов при разрезании намагниченного куска или магнитного стержня на части, когда у каждой части всегда появлялось два полюса. Однако эта теория не объясняла ни происхождения самих элементарных магнитов, ни явление гистерезиса. В 1890 г. теория Вебера была усвершенствована Дж. Эвингом, заменившим гипотезу атомного трения идеей межатомных ограничивающих сил, помогающих поддерживать упорядочение элементарных диполей, которые и составляют постоянный магнит.

    В 1905 г. П. Ланжевен объяснил поведение парамагнитных материалов, приписав каждому атому внутренний нескомпенсированный электронный ток. Согласно Ланжевену, именно эти токи образуют крошечные магниты, хаотически ориентированные, когда внешнее магнитное поле отсутствует, но приобретающие упорядоченную ориентацию после его приложения. При этом приближение к полной упорядоченности соответствует насыщению намагниченности. Ланжевен ввел понятие магнитного момента атомного магнита, равное произведению «магнитного заряда» на расстояние между полюсами. Согласно этой теории, слабый магнетизм парамагнитных материалов объясняется слабым суммарным магнитным моментом, создаваемым нескомпенсированными электронными токами.

    В 1907 г. П. Вейс ввел понятие «домена», ставшее важным вкладом в современную теорию магнетизма. Отдельный домен может иметь линейные размеры порядка 0,01 мм. Домены разделены между собой так называемыми блоховскими стенками, толщина которых не превышает 1000 атомных размеров. Такие стенки представляют собой «переходные слои», или микроградиенты в магнитной наноструктуре вещества, в которых происходит изменение направления намагниченности доменов. Имеются два убедительных экспериментальных подтверждения существования доменов. В 1919 г. Г. Баркгаузен установил, что при наложении внешнего поля на образец из ферромагнитного материала его намагниченность изменяется небольшими дискретными порциями. Для выявления доменной структуры магнита методом порошковых фигур, на хорошо отполированную поверхность намагниченного материала наносят каплю коллоидной суспензии ферромагнитного порошка (окись железа). Частицы порошка оседают в основном в местах максимальной неоднородности магнитного поля – на границах доменов. Такую структуру можно изучать под микроскопом. Разработан метод изучения магнитного поля, основанный на прохождении поляризованного света сквозь прозрачный ферромагнитный материал.

    В свободном атоме железа две его оболочки (K и L), ближайшие к ядру, заполнены электронами, причем на первой из них размещены два, а на второй – восемь электронов. В K-оболочке спин одного из электронов положителен, а другого – отрицателен. В L-оболочке (точнее, в двух ее подоболочках) у четырех из восьми электронов положительные, а у других четырех – отрицательные спины. В обоих случаях спины электронов в пределах одной оболочки полностью компенсируются, так что полный магнитный момент атома равен нулю. В M-оболочке ситуация иная, поскольку из шести электронов, находящихся в третьей подоболочке, пять электронов имеют спины, направление

    historyukhtoma.ucoz.ru

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о