Магнитное поле краткое определение. Что является источником магнитного поля
Магнитные поля возникают в природе и могут создаваться искусственно. Человек заметил их полезные характеристики, которые научился применять в повседневной жизни. Что же является источником магнитного поля?
Как развивалось учение о магнитном поле
Магнитные свойства некоторых веществ были замечены еще в древности, но по-настоящему их изучение началось в средневековой Европе. Используя мелкие стальные иголки, ученый из Франции Перегрин обнаружил пересечение силовых магнитных линий в определенных пунктах – полюсах. Только через три века, руководствуясь этим открытием, Гилберт продолжил его изучение и впоследствии защищал свою гипотезу, что Земля обладает собственным магнитным полем.
Бурное развитие теории магнетизма началось с начала 19-го века, когда Ампер обнаружил и описал влияние электрического поля на возникновение магнитного, а открытие Фарадеем электромагнитной индукции установило и обратную взаимосвязь.
Что такое магнитное поле
Магнитное поле проявляется в силовом воздействии на электрозаряды, находящиеся в движении, или на тела, у которых имеется магнитный момент.
- Проводники, по которым проходит электрический ток;
- Постоянные магниты;
- Изменяющееся электрическое поле.
Первопричина возникновения магнитного поля идентична для всех источников: электрические микрозаряды – электроны, ионы или протоны обладают собственным магнитным моментом либо находятся в направленном движении.
Важно! Взаимно порождают друг друга электрические и магнитные поля, меняющиеся с течением времени. Эта взаимосвязь определяется уравнениями Максвелла.
Характеристики магнитного поля
Характеристиками магнитного поля являются:
- Магнитный поток, скалярная величина, определяющая, сколько силовых линий магнитного поля проходит через заданное сечение. Обозначается буквой F. Рассчитывается по формуле:
F = B x S x cos α,
где В – вектор магнитной индукции, S – сечение, α – угол наклона вектора к перпендикуляру, проведенному к плоскости сечения. Единица измерения – вебер (Вб);
- Вектор магнитной индукции (В) показывает силу, действующую на зарядоносители. Он направлен в сторону северного полюса, куда указывает обычная магнитная стрелка. Количественно магнитную индукцию измеряют в теслах (Тл);
- Напряженность МП (Н). Определяется магнитной проницаемостью различных сред. В вакууме проницаемость принимается за единицу. Направление вектора напряженности совпадает с направлением магнитной индукции. Единица измерения – А/м.
Как представить магнитное поле
Легко видеть проявления магнитного поля на примере постоянного магнита. Он имеет два полюса, и в зависимости от ориентации два магнита притягиваются или отталкиваются. Магнитное поле характеризует процессы, происходящие при этом:
- МП математически описывается, как векторное поле. Оно может быть построено посредством многих векторов магнитной индукции В, каждый из которых направлен в сторону северного полюса стрелки компаса и имеет длину, зависящую от магнитной силы;
- Альтернативный способ представления заключается в использовании силовых линий. Эти линии никогда не пересекаются, нигде не начинаются и не останавливаются, образуя замкнутые петли. Линии МП объединяются в области с более частым расположением, где магнитное поле является самым сильным.
Важно! Плотность силовых линий указывает на прочность магнитного поля.
Хотя в действительности МП видеть нельзя, силовые линии легко визуализировать в реальном мире, расположив железные опилки в МП. Каждая частица ведет себя как крошечный магнит с северным и южным полюсом. Результатом является шаблон, похожий на силовые линии. Ощутить воздействие МП человек не способен.
Измерение магнитного поля
Так как это величина векторная, для измерения МП существует два параметра: сила и направление. Направление легко измерить с помощью компаса, соединенного с полем. Пример – компас, помещенный в магнитное поле Земли.
Измерение других характеристик значительно сложнее. Практические магнитометры появились только в 19-м веке. Большинство из них работают, используя силу, которую электрон чувствует при движении по МП.
Очень точное измерение малых магнитных полей стало практически осуществимо с момента открытия в 1988 году гигантского магнитосопротивления в слоистых материалах. Это открытие в фундаментальной физике было быстро применено к магнитной технологии жесткого диска для хранения данных на компьютерах, приведшее к тысячекратному увеличению емкости хранилища всего за несколько лет.
В общепринятых системах измерений МП измеряется в тестах (Тл) или в гауссах (Гс). 1 Тл = 10000 Гс. Гаусс часто используется, потому что Тесла – слишком большое поле.
Интересно. Маленький магнит на холодильнике создает МП, равное 0,001 Тл, а магнитное поле Земли в среднем – 0,00005 Тл.
Природа возникновения магнитного поля
Магнетизм и магнитные поля являются проявлениями электромагнитной силы. Есть два возможных способа, как организовать энергозаряд в движении и, следовательно, магнитное поле.
Первый – это подсоединить провод к источнику тока, вокруг него образуется МП.
Важно! По мере увеличения тока (количества зарядов в движении) пропорционально увеличивается МП. При удалении от провода поле снижается в зависимости от расстояния. Это описывается законом Ампера.
Некоторые материалы, имеющие более высокую магнитопроницаемость, способны концентрировать магнитные поля.
Поскольку магнитное поле – это вектор, необходимо определить его направление. Для обычного тока, протекающего через прямой провод, направление можно найти по правилу правой руки.
Чтобы использовать правило, надо представить, что провод обхвачен правой рукой, а большой палец указывает направление тока. Тогда четыре остальных пальца покажут направление вектора магнитной индукции вокруг проводника.
Второй способ создания МП – использование факта, что в некоторых веществах появляются электроны, обладающие собственным магнитным моментом. Так работают постоянные магниты:
- Хотя атомы часто имеют много электронов, они в основном соединяются так, что полное магнитное поле пары компенсируется. Говорят, что два электрона, спаренные таким образом, имеют противоположный спин. Поэтому, чтобы что-то намагнитить, нужны атомы, которые имеют один или несколько электронов с одинаковым спином. Например, железо имеет четыре таких электрона и подходит для изготовления магнитов;
- Миллиарды электронов, находящиеся в атомах, могут быть случайно ориентированы, и общего МП не будет, независимо от того, сколько неспаренных электронов имеет материал. Он должен быть стабильным при невысокой температуре, чтобы обеспечить общую предпочтительную ориентацию электронов. Высокая магнитопроницаемость обуславливает намагничивание таких веществ при определенных условиях вне влияния МП. Это ферромагнетики;
- Другие материалы могут проявлять магнитные свойства при наличии внешнего МП. Внешнее поле служит для выравнивания всех электронных спинов, которое исчезает после удаления МП. Это вещества – парамагнетики. Металл двери холодильника является примером парамагнетика.
Землю можно представить в виде конденсаторных обкладок, заряд которых имеет противоположный знак: «минус» – у земной поверхности и «плюс» – в ионосфере. Между ними находится атмосферный воздух в качестве изоляционной прокладки. Гигантский конденсатор сохраняет постоянный заряд, благодаря влиянию земного МП. Пользуясь этими знаниями, можно создать схему получения электро энергии из магнитного поля Земли. Правда, в результате будут невысокие значения напряжения.
Нужно взять:
- заземляющее устройство;
- провод;
- трансформатор Теслы, способный генерировать высокочастотные колебания и создавать коронный разряд, ионизируя воздух.
Катушка Теслы будет выступать в роли эмиттера электронов. Вся конструкция соединяется вместе, причем для обеспечения достаточной разности потенциалов трансформатор должен быть поднят на значительную высоту. Таким образом, будет создана электрическая цепь, по которой будет протекать маленький ток. Получить большое количество электроэнергии, пользуясь этим устройством, невозможно.
Электричество и магнетизм доминируют во многих мирах, окружающих человека: от самых фундаментальных процессов в природе до ультрасовременных электронных устройств.
Видео
Магнитное поле – это особая форма материи, которая создается магнитами, проводниками с током (движущимися заряженными частицами) и которую можно обнаружить по взаимодействию магнитов, проводников с током (движущихся заряженных частиц).
Опыт Эрстеда
Первыми экспериментами (проведены в 1820 г.), показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физика Х. Эрстеда.
Магнитная стрелка, расположенная вблизи проводника, поворачивается на некоторый угол при включении тока в проводнике. При размыкании цепи стрелка возвращается в исходное положение.
Из опыта Г. Эрстеда следует, что вокруг этого проводника существует магнитное поле.
Опыт Ампера
Два параллельных проводника, по которым протекает электрический ток, взаимодействуют между собой: притягиваются, если токи сонаправлены, и отталкиваются, если токи направлены противоположно. Это происходит из-за взаимодействия возникающих вокруг проводников магнитных полей.
Свойства магнитного поля
1. Материально, т.е. существует независимо от нас и наших знаний о нём.
2. Создаётся магнитами, проводниками с током (движущимися заряженными частицами)
3. Обнаруживается по взаимодействию магнитов, проводников с током (движущихся заряженных частиц)
4. Действует на магниты, проводники с током (движущиеся заряженные частицы) с некоторой силой
5. Никаких магнитных зарядов в природе не существует. Нельзя разделить северный и южный полюсы и получить тело с одним полюсом.
6. Причина, вследствие которой тела обладают магнитными свойствами, была найдена французским учёным Ампером. Ампер выдвинул заключение - магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него.
Эти токи представляют собой движение электронов по орбитам в атоме.
Если плоскости, в которых циркулируют эти токи, расположены беспорядочно по отношению друг к другу вследствие теплового движения молекул, составляющих тело, то их взаимодействия взаимно компенсируются и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает.
И наоборот: если плоскости, в которых вращаются электроны, параллельны друг другу и направления нормалей к этим плоскостям совпадают, то такие вещества усиливают внешнее магнитное поле.
7. Магнитные силы действуют в магнитном поле по определенным направлениям, которые называют магнитными силовыми линиями. С их помощью можно удобно и наглядно показывать магнитное поле в том или ином случае.
Чтобы более точно изобразить магнитное поле, условились в тех местах, где поле сильнее, показывать силовые линии расположенными гуще, т.е. ближе друг к другу. И наоборот, в местах, где поле слабее, показывают силовые линии в меньшем количестве, т.е. расположенными реже.
8. Магнитное поле характеризует вектор магнитной индукции.
Вектор магнитной индукции - векторная величина, характеризующая магнитное поле.
Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса свободной магнитной стрелки в данной точке.
Направление вектора индукции поля и силы тока I связаны «правилом правого винта (буравчика)»:
если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление скорости движения конца его рукоятки в данной точке совпадет с направлением вектора магнитной индукции в этой точке.
/ магнитное поле
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 n 01 = 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 = q 0 nSv, и подставляя это выражение в (3.21), получим F = q 0 nSh/B sin a . Число частиц (N) в заданном объеме проводника равно N = nSl, тогда F = q 0 NvB 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 I 1 и I 2 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 В 0 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 В 0 внутри вещества создается индукция В < В 0 , 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 В 0 возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. При некоторых значениях В 0 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 B s , B r , B c . B s - максимальное значение индукции материала при В 0s ; В r - остаточная индукция, равная значению индукции в материале при уменьшении индукции внешнего магнитного поля от B 0s до нуля; -В с и В с - 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.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ОСИ КРУГОВОГО ТОКА
Цель работы : изучить свойства магнитного поля, ознакомиться с понятием магнитной индукции. Определить индукцию магнитного поля на оси кругового тока.
Теоретическое введение. Магнитное поле. Существование в природе магнитного поля проявляется в многочисленных явлениях, простейшими из которых являются взаимодействие движущихся зарядов (токов), тока и постоянного магнита, двух постоянных магнитов. Магнитное поле векторное . Это означает, что для его количественного описания в каждой точке пространства необходимо задать вектор магнитной индукции. Иногда эту величину называют просто магнитной индукцией . Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением магнитной стрелки, находящейся в рассматриваемой точке пространства и свободной от других воздействий.
Так как магнитное поле является силовым, то его изображают с помощью линий магнитной индукции – линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции в этих точках поля. Принято через единичную площадку, перпендикулярную , проводить количество линий магнитной индукции, равное величине магнитной индукции. Таким образом, густота линий соответствует величине В . Опыты показывают, что в природе отсутствуют магнитные заряды. Следствием этого является то, что линии магнитной индукции замкнуты. Магнитное поле называется однородным, если векторы индукции во всех точках этого поля одинаковы, то есть, равны по модулю и имеют одинаковые направления.
Для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции : магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом.
В однородном магнитном поле на прямолинейный проводник действует сила Ампера :
где – вектор, равный по модулю длине проводникаl и совпадающий с направлением тока I в этом проводнике.
Направление силы Ампера определяется правилом правого винта (векторы , и образуют правовинтовую систему): если винт с правой резьбой расположить перпендикулярно к плоскости, образуемой векторами и , и вращать его от к по наименьшему углу, то поступательное движение винта укажет направление силы .В скалярном виде соотношение (1) можно записать следующим образом:
F = I ×l ×B ×sin a или (2).
Из последнего соотношения вытекает физический смысл магнитной индукции : магнитная индукция однородного поля численно равна силе, действующей на проводник с током 1 А, длиной 1 м, расположенный перпендикулярно направлению поля.
Единицей измерения магнитной индукции в СИ является Тесла (Тл) : .
Магнитное поле кругового тока. Электрический ток не только взаимодействуют с магнитным полем, но и создает его. Опыт показывает, что в вакууме элемент тока создает в точке пространства магнитное поле с индукцией
(3) ,
где – коэффициент пропорциональности, m 0 =4p×10-7 Гн/м – магнитная постоянная, – вектор, численно равный длине элемента проводника и совпадающий по направлению с элементарным током, – радиус-вектор, проведенный от элемента проводника в рассматриваемую точку поля, r – модуль радиуса-вектора. Соотношение (3) было экспериментально установлено Био и Саваром, проанализировано Лапласом и поэтому называется законом Био-Савара-Лапласа . Согласно правилу правого винта, вектор магнитной индукции в рассматриваемой точке оказывается перпендикулярным элементу тока и радиус-вектору .
На основе закона Био-Савара-Лапласа и принципа суперпозиции проводится расчет магнитных полей электрических токов, текущих в проводниках произвольной конфигурации, путем интегрирования по всей длине проводника. Например, магнитная индукция магнитного поля в центре кругового витка радиусом R , по которому течет ток I , равна:
Линии магнитной индукции кругового и прямого токов показаны на рисунке 1. На оси кругового тока линия магнитной индукции является прямой. Направление магнитной индукции связано с направлением тока в контуре правилом правого винта . В применении к круговому току его можно сформулировать так: если винт с правой резьбой вращать по направлению кругового тока, то поступательное движение винта укажет направление линий магнитной индукции, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором магнитной индукции.
, (5)
где R – радиус кольца, х – расстояние от центра кольца до точки оси, в которой определяется магнитная индукция.
Каково определение, магнитное поле..??
Роджер
В современной физике «Магнитное поле» рассматривается как одно из силовых полей, приводящее к действию магнитной силы на движущиеся электрические заряды. Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами, как правило, электрическими токами, а также переменным электрическим полем. Существует гипотеза о возможности существования магнитных зарядов, что в принципе не запрещается электродинамикой, однако пока такие заряды (магнитные монополи) не обнаружены. В рамках электродинамики Максвелла магнитное поле оказалось тесно связанным с электрическим полем, что привело к возникновению единого понятия электромагнитное поле.
Полевая физика несколько меняет отношение к магнитному полю. Во-первых, она доказывает, что магнитных зарядов в принципе не может существовать. Во-вторых, магнитное поле оказывается не самостоятельным полем, равноправным электрическому, а одной из трех динамических поправок, возникающих при движении электрических зарядов. Поэтому полевая физика рассматривает в качестве фундаментального только электрическое поле, а магнитная сила становится одной из производных электрического взаимодействия.
P.S. профессор, конечно, лопух, но аппаратура при нем....
Мари
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}}. В СИ магнитная индукция измеряется в Тесла (Тл) .
Физические свойства
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
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 заряженную частицу называется силой Лоренца. Она пропорциональна заряду частицы и векторному произведению поля и скорости движения частицы.
Математическое представление
Векторная величина, образующая в пространстве поле с нулевой дивергенцией.
Согласно современным представлениям, образовалась примерно 4,5 млрд лет назад, и с этого момента нашу планету окружает магнитное поле. Все, что находится на Земле, в том числе люди, животные и растения, подвергаются его воздействию.
Магнитное поле простирается до высоты около 100 000 км (рис. 1). Оно отклоняет или захватывает частицы солнечного ветра, губительные для всех живых организмов. Эти заряженные частицы образуют радиационный пояс Земли, а вся область околоземного пространства, в которой они находятся, называют магнитосферой (рис. 2). С освещенной Солнцем стороны Земли магнитосфера ограничена сферической поверхностью с радиусом примерно 10-15 радиусов Земли, а с противоположной стороны она вытянута подобно кометному хвосту на расстояние вплоть до нескольких тысяч радиусов Земли, образуя геомагнитный хвост. Магнитосфера отделена от межпланетного поля переходной областью.
Магнитные полюса Земли
Ось земного магнита наклонена по отношению к оси вращения Земли на 12°. Она располагается примерно на 400 км в стороне от центра Земли. Точки, в которых эта ось пересекает поверхность планеты, - магнитные полюса. Магнитные полюсаЗемли не совпадают с истинными географическими полюсами. В настоящее время координаты магнитных полюсов следующие: северный — 77° с.ш. и 102° з.д.; южный — (65° ю.ш. и 139° в.д.).
Рис. 1. Строение магнитного поля Земли
Рис. 2. Строение магнитосферы
Силовые линии, идущие от одного магнитного полюса к другому, называются магнитными меридианами . Между магнитным и географическим меридианом образуется угол, называемый магнитным склонением . Каждое место на Земле имеет свой угол склонения. В районе Москвы угол склонения равен 7° к востоку, а в Якутске — около 17° к западу. Это значит, что северный конец стрелки компаса в Москве отклоняется на Т вправо от географического меридиана, проходящего через Москву, а в Якутске — на 17° влево от соответствующего меридиана.
Свободно подвешенная магнитная стрелка располагается горизонтально только на линии магнитного экватора, который не совпадает с географическим. Если двигаться к северу от магнитного экватора, то северный конец стрелки будет постепенно опускаться. Угол, образованный магнитной стрелкой и горизонтальной плоскостью, называют магнитным наклонением . На Северном и Южном магнитных полюсах магнитное наклонение наибольшее. Оно равно 90°. На Северном магнитном полюсе свободно подвешенная магнитная стрелка установится вертикально северным концом вниз, а на Южном магнитном полюсе ее южный конец опустится вниз. Таким образом, магнитная стрелка показывает направление силовых линий магнитного ноля над земной поверхностью.
С течением времени положение магнитных полюсов относительно по земной поверхности меняется.
Магнитный полюс был открыт исследователем Джеймсом К. Россом в 1831 г. в сотнях километров от его нынешнего местонахождения. В среднем за один год он перемещается на 15 км. В последние годы скорость перемещения магнитных полюсов резко возросла. Например, Северный магнитный полюс сейчас перемещается со скоростью около 40 км в год.
Смена магнитных полюсов Земли называется инверсией магнитного поля .
На протяжении геологической истории нашей планеты земное магнитное поле изменяло свою полярность более 100 раз.
Магнитное поле характеризуется напряженностью. В некоторых местах Земли магнитные силовые линии отклоняются от нормального поля, образуя аномалии. Например, в районе Курской магнитной аномалии (КМА) напряженность поля в четыре раза выше нормы.
Существуют суточные изменения магнитного поля Земли. Причина этих изменений магнитного поля Земли — электриче- с кие токи, текущие в атмосфере на большой высоте. Вызваны они солнечным излучением. Пол действием солнечного ветра магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров. Основной же причиной возникновения солнечного ветра, как мы уже знаем, являются грандиозные выбросы вещества из короны Солнца. При движении к Земле они превращаются в магнитные облака и приводят к сильным, иногда экстремальным возмущениям на Земле. Особенно сильные возмущения магнитного поля Земли - магнитные бури. Некоторые магнитные бури начинаются неожиданно и почти одновременно по всей Земле, а другие развиваются постепенно. Они могут продолжаться несколько часов и даже суток. Часто магнитные бури происходят через 1-2 дня после солнечной вспышки из-за прохождения Земли через поток частиц, выброшенных Солнцем. Исходя из времени запаздывания скорость такого корпускулярного потока оценивают в несколько миллионов км/ч.
Во время сильных магнитных бурь нарушается нормальная работа телеграфа, телефона и радио.
Магнитные бури часто наблюдаются на широте 66-67° (в зоне полярных сияний) и возникают одновременно с полярными сияниями.
Строение магнитного поля Земли меняется в зависимости от широты местности. Проницаемость магнитного поля увеличивается в сторону полюсов. Над полярными областями силовые линии магнитного поля более или менее перпендикулярны земной поверхности и имеют воронкообразную конфигурацию. Через них часть солнечного ветра с дневной стороны проникает в магнитосферу, а затем и в верхнюю атмосферу. Сюда же в период магнитных бурь устремляются частицы из хвостовой части магнитосферы, достигая границ верхней атмосферы в высоких широтах Северного и Южного полушарий. Именно эти заряженные частицы вызывают здесь полярные сияния.
Итак, магнитные бури и суточные изменения магнитного ноля объясняются, как мы уже выяснили, солнечным излучением. Но какова основная причина, создающая постоянный магнетизм Земли? Теоретически удалось доказать, что на 99 % магнитное поле Земли вызывают источники, скрытые внутри планеты. Главное магнитное поле обусловлено источниками, расположенными в глубинах Земли. Их можно условно разделить на две группы. Основная их часть связана с процессами в земном ядре, где вследствие непрерывных и регулярных перемещений электропроводящего вещества создается система электрических токов. Другая — связана с тем, что горные породы земной коры, намагничиваясь главным электрическим полем (полем ядра), создают собственное магнитное поле, которое суммируется с магнитным полем ядра.
Кроме магнитного поля вокруг Земли существуют и другие поля: а) гравитационное; б) электрическое; в) тепловое.
Гравитационным полем Земли называют поле силы тяжести. Она направлена по отвесу перпендикулярно к поверхности геоида. Если бы у Земли была фигура эллипсоида вращения и в нем равномерно распределялись бы массы, то у нее было нормальное гравитационное поле. Разница между напряженностью реального гравитационного поля и теоретического — аномалия тяжести. Различный вещественный состав, плотность горных пород вызывают эти аномалии. Но возможны и другие причины. Их можно объяснить следующим процессом — уравновешение твердой и относительно легкой земной коры на более тяжелой верхней мантии, где и происходит выравнивание давления вышележащих слоев. Эти течения вызывают тектонические деформации, движение литосферных плит и тем самым создают макрорельеф Земли. Сила тяжести удерживает атмосферу, гидросферу, людей, животных на Земле. Силу тяжести нужно обязательно учитывать при изучении процессов в географической оболочке. Термином «геотропизм » называют ростовые движения органов растений, которые под влиянием силы земного тяготения всегда обеспечивают вертикальное направление роста первичного корня перпендикулярно поверхности Земли. Гравитационная биология использует растения в качестве экспериментальных объектов.
Если не учитывать силу тяжести, невозможно рассчитать исходные данные для запуска ракет и космических кораблей, сделать гравиметрическую разведку рудных ископаемых и, наконец, невозможно дальнейшее развитие астрономии, физики и других наук.
Магнитное поле – это особая форма материи, которая создается магнитами, проводниками с током (движущимися заряженными частицами) и которую можно обнаружить по взаимодействию магнитов, проводников с током (движущихся заряженных частиц).
Опыт Эрстеда
Первыми экспериментами (проведены в 1820 г.), показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется глубокая связь, были опыты датского физика Х. Эрстеда.
Магнитная стрелка, расположенная вблизи проводника, поворачивается на некоторый угол при включении тока в проводнике. При размыкании цепи стрелка возвращается в исходное положение.
Из опыта Г. Эрстеда следует, что вокруг этого проводника существует магнитное поле.
Опыт Ампера
Два параллельных проводника, по которым протекает электрический ток, взаимодействуют между собой: притягиваются, если токи сонаправлены, и отталкиваются, если токи направлены противоположно. Это происходит из-за взаимодействия возникающих вокруг проводников магнитных полей.
Свойства магнитного поля
1. Материально, т.е. существует независимо от нас и наших знаний о нём.
2. Создаётся магнитами, проводниками с током (движущимися заряженными частицами)
3. Обнаруживается по взаимодействию магнитов, проводников с током (движущихся заряженных частиц)
4. Действует на магниты, проводники с током (движущиеся заряженные частицы) с некоторой силой
5. Никаких магнитных зарядов в природе не существует. Нельзя разделить северный и южный полюсы и получить тело с одним полюсом.
6. Причина, вследствие которой тела обладают магнитными свойствами, была найдена французским учёным Ампером. Ампер выдвинул заключение - магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него.
Эти токи представляют собой движение электронов по орбитам в атоме.
Если плоскости, в которых циркулируют эти токи, расположены беспорядочно по отношению друг к другу вследствие теплового движения молекул, составляющих тело, то их взаимодействия взаимно компенсируются и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает.
И наоборот: если плоскости, в которых вращаются электроны, параллельны друг другу и направления нормалей к этим плоскостям совпадают, то такие вещества усиливают внешнее магнитное поле.
7. Магнитные силы действуют в магнитном поле по определенным направлениям, которые называют магнитными силовыми линиями. С их помощью можно удобно и наглядно показывать магнитное поле в том или ином случае.
Чтобы более точно изобразить магнитное поле, условились в тех местах, где поле сильнее, показывать силовые линии расположенными гуще, т.е. ближе друг к другу. И наоборот, в местах, где поле слабее, показывают силовые линии в меньшем количестве, т.е. расположенными реже.
8. Магнитное поле характеризует вектор магнитной индукции.
Вектор магнитной индукции - векторная величина, характеризующая магнитное поле.
Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса свободной магнитной стрелки в данной точке.
Направление вектора индукции поля и силы тока I связаны «правилом правого винта (буравчика)»:
если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление скорости движения конца его рукоятки в данной точке совпадет с направлением вектора магнитной индукции в этой точке.
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 .
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/ paragraph19/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/ paragraph19/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
