Poskytuje magnetické pole. Magnetické pole vodiča s prúdom. Zmeny magnetických vlastností materiálov

Magnetické pole a jeho vlastnosti

Plán prednášok:

Magnetické pole, jeho vlastnosti a charakteristiky.

Magnetické pole- forma existencie hmoty obklopujúcej pohybujúce sa elektrické náboje (vodiče s prúdom, permanentné magnety).

Tento názov je spôsobený tým, že ako zistil v roku 1820 dánsky fyzik Hans Oersted, má orientačný účinok na magnetickú ihlu. Oerstedov experiment: magnetická ihla bola umiestnená pod drôt s prúdom, ktorý sa otáčal na ihle. Keď bol prúd zapnutý, bol inštalovaný kolmo na drôt; pri zmene smeru prúdu sa otočil opačným smerom.

Základné vlastnosti magnetické pole:

generované pohybom elektrických nábojov, vodičov s prúdom, permanentných magnetov a striedavého elektrického poľa;

pôsobí silou na pohybujúce sa elektrické náboje, vodiče s prúdom, zmagnetizované telesá;

striedavé magnetické pole vytvára striedavé elektrické pole.

Zo skúseností Oersteda vyplýva, že magnetické pole je smerové a musí mať vektorovú silovú charakteristiku. Označuje sa a nazýva sa magnetická indukcia.

Magnetické pole je znázornené graficky pomocou magnetických siločiar alebo čiar magnetickej indukcie. magnetická sila linky sa nazývajú čiary, pozdĺž ktorých sú v magnetickom poli umiestnené železné piliny alebo osi malých magnetických šípok. V každom bode takejto priamky je vektor nasmerovaný tangenciálne.

Čiary magnetickej indukcie sú vždy uzavreté, čo naznačuje neprítomnosť magnetických nábojov v prírode a vírivú povahu magnetického poľa.

Zvyčajne opúšťajú severný pól magnetu a vstupujú na južný. Hustota čiar sa volí tak, aby počet čiar na jednotku plochy kolmých na magnetické pole bol úmerný veľkosti magnetickej indukcie.

H

Magnetický solenoid s prúdom

Smer čiar je určený pravidlom pravej skrutky. Solenoid - cievka s prúdom, ktorej závity sú umiestnené blízko seba a priemer závitu je oveľa menší ako dĺžka cievky.

Magnetické pole vo vnútri solenoidu je rovnomerné. Magnetické pole sa nazýva homogénne, ak je vektor konštantný v akomkoľvek bode.

Magnetické pole solenoidu je podobné magnetickému poľu tyčového magnetu.

OD

Olenoid s prúdom je elektromagnet.

Skúsenosti ukazujú, že pre magnetické pole, ako aj pre elektrické pole, princíp superpozície: indukcia magnetického poľa vytvoreného niekoľkými prúdmi alebo pohyblivými nábojmi sa rovná vektorovému súčtu indukcií magnetických polí vytvorených každým prúdom alebo nábojom:

Vektor sa zadáva jedným z 3 spôsobov:

a) z Amperovho zákona;

b) pôsobením magnetického poľa na slučku s prúdom;

c) z výrazu pre Lorentzovu silu.

ALE mper experimentálne zistil, že sila, ktorou magnetické pole pôsobí na prvok vodiča s prúdom I, ktorý sa nachádza v magnetickom poli, je priamo úmerná sile

prúd I a vektorový súčin dĺžkového prvku a magnetickej indukcie:

- Ampérov zákon

H
smer vektora sa dá zistiť podľa všeobecných pravidiel vektorového súčinu, z ktorého vyplýva pravidlo ľavej ruky: ak je dlaň ľavej ruky umiestnená tak, že do nej vstupujú magnetické siločiary, a 4 natiahnutá prsty sú nasmerované pozdĺž prúdu, potom ohnutý palec ukáže smer sily.

Sila pôsobiaca na drôt konečnej dĺžky sa dá nájsť integrovaním po celej dĺžke.

Pre I = konštanta, B = konštanta, F = BIlsin

Ak  =90 0, F = BIl

Indukcia magnetického poľa- vektorová fyzikálna veličina číselne rovná sile pôsobiacej v rovnomernom magnetickom poli na vodič jednotkovej dĺžky s jednotkovým prúdom, umiestnený kolmo na siločiary magnetického poľa.

1Tl je indukcia rovnomerného magnetického poľa, pri ktorom na vodič s dĺžkou 1 m s prúdom 1A, ktorý je umiestnený kolmo na siločiary magnetického poľa, pôsobí sila 1N.

Doteraz sme uvažovali o makroprúdoch tečúcich vo vodičoch. Podľa Amperovho predpokladu však v akomkoľvek tele existujú mikroskopické prúdy v dôsledku pohybu elektrónov v atómoch. Tieto mikroskopické molekulárne prúdy vytvárajú svoje vlastné magnetické pole a môžu sa otáčať v poliach makroprúdov, čím vytvárajú dodatočné magnetické pole v tele. Vektor charakterizuje výsledné magnetické pole vytvorené všetkými makro- a mikroprúdmi, t.j. pre rovnaký makroprúd má vektor v rôznych médiách rôzne hodnoty.

Magnetické pole makroprúdov je opísané vektorom magnetickej intenzity.

Pre homogénne izotropné médium

,

 0 \u003d 410 -7 H / m - magnetická konštanta,  0 \u003d 410 -7 N / A 2,

 - magnetická permeabilita média, ktorá ukazuje, koľkokrát sa magnetické pole makroprúdov zmení vplyvom poľa mikroprúdov média.

magnetický tok. Gaussova veta pre magnetický tok.

vektorový tok(magnetický tok) cez podložku dS sa nazýva skalárna hodnota rovná

kde je projekcia na smer normály k miestu;

 - uhol medzi vektormi a .

smerový plošný prvok,

Vektorový tok je algebraická veličina,

ak - pri opustení povrchu;

ak - pri vstupe na povrch.

Tok vektora magnetickej indukcie cez ľubovoľný povrch S sa rovná

Pre rovnomerné magnetické pole = konšt.

1 Wb - magnetický tok prechádzajúci rovným povrchom 1 m 2 umiestneným kolmo na rovnomerné magnetické pole, ktorého indukcia sa rovná 1 T.

Magnetický tok cez povrch S sa číselne rovná počtu magnetických siločiar prechádzajúcich daným povrchom.

Keďže čiary magnetickej indukcie sú vždy uzavreté, pre uzavretý povrch je počet čiar vstupujúcich do povrchu (Ф 0), preto je celkový tok magnetickej indukcie uzavretým povrchom nulový.

- Gaussova veta: tok vektora magnetickej indukcie cez akýkoľvek uzavretý povrch je nulový.

Táto veta je matematickým vyjadrením skutočnosti, že v prírode neexistujú žiadne magnetické náboje, na ktorých by začínali alebo končili čiary magnetickej indukcie.

Biot-Savart-Laplaceov zákon a jeho aplikácia na výpočet magnetických polí.

Magnetické pole jednosmerných prúdov rôznych tvarov podrobne študoval fr. vedci Biot a Savart. Zistili, že vo všetkých prípadoch je magnetická indukcia v ľubovoľnom bode úmerná sile prúdu, závisí od tvaru, rozmerov vodiča, umiestnenia tohto bodu vo vzťahu k vodiču a od média.

Výsledky týchto pokusov zhrnul fr. matematik Laplace, ktorý vzal do úvahy vektorovú povahu magnetickej indukcie a vyslovil hypotézu, že indukcia v každom bode je podľa princípu superpozície vektorovým súčtom indukcií elementárnych magnetických polí vytvorených každým úsekom tohto vodiča.

Laplace v roku 1820 sformuloval zákon, ktorý sa nazýval Biot-Savart-Laplaceov zákon: každý prvok vodiča s prúdom vytvára magnetické pole, ktorého indukčný vektor je v určitom ľubovoľnom bode K určený vzorcom:

- Biot-Savart-Laplaceov zákon.

Z Biotovho-Sovarovho-Laplaceovho zákona vyplýva, že smer vektora sa zhoduje so smerom krížového súčinu. Rovnaký smer udáva pravidlo pravej skrutky (gimlet).

Vzhľadom na to,

Vodivý prvok v súlade s prúdom;

Vektor polomeru spájajúci sa s bodom K;

Biot-Savart-Laplaceov zákon má praktický význam, pretože umožňuje nájsť v danom bode priestoru indukciu magnetického poľa prúdu pretekajúceho vodičom konečnej veľkosti a ľubovoľného tvaru.

Pre ľubovoľný prúd je takýto výpočet zložitým matematickým problémom. Ak má však rozloženie prúdu určitú symetriu, potom aplikácia princípu superpozície spolu s Biot-Savart-Laplaceovým zákonom umožňuje relatívne jednoducho vypočítať špecifické magnetické polia.

Pozrime sa na niekoľko príkladov.

A. Magnetické pole priamočiareho vodiča s prúdom.

pre vodič konečnej dĺžky:

pre vodič nekonečnej dĺžky:  1 = 0,  2 = 

B. Magnetické pole v strede kruhového prúdu:

=90 0 , sin=1,

Oersted v roku 1820 experimentálne zistil, že cirkulácia v uzavretom okruhu obklopujúcom systém makroprúdov je úmerná algebraickému súčtu týchto prúdov. Koeficient proporcionality závisí od výberu sústavy jednotiek a v SI sa rovná 1.

C
obeh vektora sa nazýva integrál s uzavretou slučkou.

Tento vzorec sa nazýva cirkulačný teorém alebo zákon celkového prúdu:

cirkulácia vektora intenzity magnetického poľa pozdĺž ľubovoľného uzavretého obvodu sa rovná algebraickému súčtu makroprúdov (alebo celkového prúdu) pokrytých týmto obvodom. jeho charakteristiky V priestore obklopujúcom prúdy a permanentné magnety pôsobí sila lúka volal magnetické. Dostupnosť magnetické poliach ukazuje sa...

O skutočnej štruktúre elektromagnetického poliach a jeho charakteristikyšírenie vo forme rovinných vĺn.

Článok >> Fyzika

O REÁLNEJ ŠTRUKTÚRE ELEKTROMAGNETICKÉHO POLIA A JEHO CHARAKTERISTIKY PROPAGÁCIE VO FORME ROVINNÝCH VLN ... ďalšie zložky singl poliach: elektromagnetický lúka s vektorovými komponentmi a, el lúka s komponentmi a magnetické lúka s komponentmi...

Magnetický lúka, obvody a indukcia

Abstrakt >> Fyzika

... poliach). Základné charakteristika magnetické poliach je jeho vektorová sila magnetické indukcia (indukčný vektor magnetické poliach). v SI magnetické... s magnetické moment. Magnetický lúka a jeho parametre Smer magnetické linky a...

Magnetický lúka (2)

Abstrakt >> Fyzika

Úsek vodiča AB s prúdom v magnetické lúka kolmý jeho magnetické linky. Keď je znázornené na obrázku ... hodnota závisí len od magnetické poliach a môže slúžiť jeho kvantitatívne charakteristika. Táto hodnota sa berie...

Magnetický materiály (2)

Abstrakt >> Ekonomika

Materiály, ktoré interagujú s magnetické lúka vyjadrené v jeho zmene, ako aj v iných...a po ukončení expozície magnetické poliach.jeden. Hlavné charakteristiky magnetické materiályMagnetické vlastnosti materiálov sa vyznačujú...

Magnetické pole vyvolávalo v ľuďoch po dlhú dobu veľa otázok, no aj teraz zostáva málo známym javom. Mnoho vedcov sa pokúšalo študovať jeho charakteristiky a vlastnosti, pretože výhody a potenciál využitia poľa boli nespornými faktami.

Zoberme si všetko po poriadku. Ako teda pôsobí a tvorí akékoľvek magnetické pole? Presne tak, od elektrický prúd. A prúd je podľa učebníc fyziky prúd nabitých častíc so smerom, nie? Takže keď prúd prechádza ktorýmkoľvek vodičom, začne okolo neho pôsobiť určitý druh hmoty – magnetické pole. Magnetické pole môže byť vytvorené prúdom nabitých častíc alebo magnetickými momentmi elektrónov v atómoch. Teraz toto pole a hmota majú energiu, vidíme ju v elektromagnetických silách, ktoré môžu ovplyvniť prúd a jeho náboje. Magnetické pole začína pôsobiť na tok nabitých častíc a tie menia počiatočný smer pohybu kolmo na samotné pole.

Iné magnetické pole môžeme nazvať elektrodynamické, pretože sa vytvára v blízkosti pohybujúcich sa častíc a ovplyvňuje iba pohybujúce sa častice. Je dynamický vďaka tomu, že má špeciálnu štruktúru rotujúcich biónov v oblasti vesmíru. Bežný elektrický pohyblivý náboj ich môže prinútiť otáčať sa a pohybovať sa. Bióny prenášajú akékoľvek možné interakcie v tejto oblasti vesmíru. Preto pohybujúci sa náboj priťahuje jeden pól všetkých biónov a spôsobuje ich rotáciu. Zo stavu pokoja ich môže vyviesť iba on, nič iné, pretože iné sily ich nebudú môcť ovplyvniť.

V elektrickom poli sú nabité častice, ktoré sa pohybujú veľmi rýchlo a môžu prejsť 300 000 km za sekundu. Svetlo má rovnakú rýchlosť. Bez elektrického náboja neexistuje magnetické pole. To znamená, že častice spolu neuveriteľne úzko súvisia a existujú v spoločnom elektromagnetickom poli. To znamená, že ak dôjde k zmenám v magnetickom poli, dôjde k zmenám v elektrickom poli. Tento zákon je tiež obrátený.

Hovoríme tu veľa o magnetickom poli, ale ako si to predstaviť? Voľným ľudským okom to nevidíme. Navyše kvôli neuveriteľne rýchlemu šíreniu poľa nemáme čas to opraviť pomocou rôzne zariadenia. Ale aby sme mohli niečo študovať, musí o tom mať aspoň nejakú predstavu. Často je tiež potrebné znázorniť magnetické pole v diagramoch. Aby to bolo jednoduchšie pochopiť, sú nakreslené podmienené siločiary. Odkiaľ ich majú? Boli vynájdené z nejakého dôvodu.

Skúsme vidieť magnetické pole pomocou malých kovových pilín a obyčajného magnetu. Nalejeme na plochý povrch tieto piliny a uviesť ich do pôsobenia magnetického poľa. Potom uvidíme, že sa budú pohybovať, otáčať a zoraďovať do vzoru alebo vzoru. Výsledný obrázok ukáže približný účinok síl v magnetickom poli. Všetky sily a teda aj siločiary sú na tomto mieste súvislé a uzavreté.

Magnetická strelka má podobné charakteristiky a vlastnosti ako kompas a používa sa na určenie smeru siločiar. Ak spadne do zóny pôsobenia magnetického poľa, vidíme smer pôsobenia síl podľa jeho severného pólu. Potom si vyberieme niekoľko záverov: vrchol obyčajného permanentného magnetu, z ktorého vychádzajú siločiary, je označený severným pólom magnetu. Zatiaľ čo južný pól označuje bod, kde sú sily uzavreté. No, siločiary vo vnútri magnetu nie sú na diagrame zvýraznené.

Magnetické pole, jeho vlastnosti a charakteristiky sú pomerne široko používané, pretože v mnohých problémoch je potrebné ho brať do úvahy a študovať. Toto je najdôležitejší fenomén vo vede fyziky. Neodmysliteľne sú s ňou spojené zložitejšie veci, ako magnetická permeabilita a indukcia. Na vysvetlenie všetkých dôvodov vzniku magnetického poľa sa treba spoliehať na skutočné vedecké fakty a potvrdenia. Inak viac ťažké úlohy nesprávny prístup môže narušiť integritu teórie.

Teraz si uveďme príklady. Všetci poznáme našu planétu. Hovoríte, že nemá magnetické pole? Možno máte pravdu, ale vedci tvrdia, že procesy a interakcie vo vnútri zemského jadra vytvárajú obrovské magnetické pole, ktoré sa tiahne na tisíce kilometrov. Ale každé magnetické pole musí mať svoje póly. A existujú, len sa nachádzajú trochu ďalej od geografického pólu. Ako to cítime? Napríklad vtáky majú vyvinuté navigačné schopnosti a orientujú sa najmä podľa magnetického poľa. S jeho pomocou sa teda husi bezpečne dostanú do Laponska. Tento jav využívajú aj špeciálne navigačné prístroje.

Pozri tiež: Portál: Fyzika

Magnetické pole môže byť vytvorené prúdom nabitých častíc a/alebo magnetickými momentmi elektrónov v atómoch (a magnetickými momentmi iných častíc, aj keď v oveľa menšej miere) (permanentné magnety).

Okrem toho sa objavuje v prítomnosti časovo premenlivého elektrického poľa.

Hlavnou výkonovou charakteristikou magnetického poľa je vektor magnetickej indukcie (vektor indukcie magnetického poľa) . Z matematického hľadiska ide o vektorové pole, ktoré definuje a špecifikuje fyzikálny pojem magnetického poľa. Vektor magnetickej indukcie sa často kvôli stručnosti nazýva jednoducho magnetické pole (aj keď to pravdepodobne nie je najprísnejšie použitie tohto termínu).

Ďalšou základnou charakteristikou magnetického poľa (alternatívna magnetická indukcia as ňou úzko súvisiaca, fyzikálna hodnota sa jej prakticky rovná) je vektorový potenciál .

Magnetické pole možno nazvať špeciálnym druhom hmoty, prostredníctvom ktorej dochádza k interakcii medzi pohybujúcimi sa nabitými časticami alebo telesami, ktoré majú magnetický moment.

Magnetické polia sú nevyhnutným (v kontexte) dôsledkom existencie elektrických polí.

• Z hľadiska kvantovej teórie poľa je magnetická interakcia podobná špeciálny prípad elektromagnetickú interakciu nesie fundamentálny bezhmotný bozón - fotón (častica, ktorá môže byť reprezentovaná ako kvantová excitácia elektromagnetického poľa), často (napríklad vo všetkých prípadoch statických polí) - virtuálny.

Zdroje magnetického poľa

Magnetické pole sa vytvára (generuje) prúdom nabitých častíc alebo časovo premenlivým elektrickým poľom alebo vnútornými magnetickými momentmi častíc (druhé môžu byť kvôli jednotnosti obrazu formálne znížené na elektrické prúdy).

kalkulácia

V jednoduchých prípadoch možno magnetické pole vodiča s prúdom (vrátane prípadu prúdu rozloženého ľubovoľne po objeme alebo priestore) zistiť z Biot-Savart-Laplaceovho zákona alebo z cirkulačnej vety (je to tiež Ampérov zákon). V princípe je táto metóda obmedzená na prípad (aproximáciu) magnetostatiky - teda prípad konštantných (ak hovoríme o striktnej použiteľnosti) alebo skôr pomaly sa meniacich (ak hovoríme o približnom použití) magnetických a elektrických polí.

V zložitejších situáciách sa hľadá ako riešenie Maxwellových rovníc.

Prejav magnetického poľa

Magnetické pole sa prejavuje pôsobením na magnetické momenty častíc a telies, na pohybujúce sa nabité častice (alebo vodiče s prúdom). Sila pôsobiaca na elektricky nabitú časticu pohybujúcu sa v magnetickom poli sa nazýva Lorentzova sila, ktorá je vždy smerovaná kolmo na vektory. v a B. Je úmerná náboju častice q, zložka rýchlosti v, kolmo na smer vektora magnetického poľa B a veľkosť indukcie magnetického poľa B. V sústave jednotiek SI je Lorentzova sila vyjadrená takto:

v systéme jednotiek CGS:

kde hranaté zátvorky označujú vektorový súčin.

Taktiež (v dôsledku pôsobenia Lorentzovej sily na nabité častice pohybujúce sa pozdĺž vodiča) pôsobí magnetické pole na vodič prúdom. Sila pôsobiaca na vodič s prúdom sa nazýva ampérová sila. Táto sila je súčtom síl pôsobiacich na jednotlivé náboje pohybujúce sa vo vnútri vodiča.

Interakcia dvoch magnetov

Jeden z najbežnejších v bežný život prejavy magnetického poľa - interakcia dvoch magnetov: rovnaké póly sa odpudzujú, opačné sa priťahujú. Zdá sa lákavé opísať interakciu medzi magnetmi ako interakciu medzi dvoma monopólmi a z formálneho hľadiska je táto myšlienka celkom realizovateľná a často veľmi pohodlná, a teda prakticky užitočná (pri výpočtoch); podrobná analýza však ukazuje, že v skutočnosti to nie je úplne správny popis javu (najzrejmejšou otázkou, ktorú nemožno v rámci takéhoto modelu vysvetliť, je otázka, prečo monopóly nemožno nikdy oddeliť, teda prečo experiment ukazuje, že žiadne izolované teleso v skutočnosti nemá magnetický náboj; slabinou modelu je, že je neaplikovateľný na magnetické pole vytvorené makroskopickým prúdom, a preto, ak sa nepovažuje za čisto formálnu techniku, vedie iba ku komplikácii teórie v základnom zmysle).

Správnejšie by bolo povedať, že na magnetický dipól umiestnený v nehomogénnom poli pôsobí sila, ktorá má tendenciu ho otáčať tak, že magnetický moment dipólu je spolusmerovaný s magnetickým poľom. Žiadny magnet však nevykazuje (úplnú) silu z rovnomerného magnetického poľa. Sila pôsobiaca na magnetický dipól s magnetickým momentom m vyjadruje sa vzorcom:

Sila pôsobiaca na magnet (ktorý nie je jednobodovým dipólom) z nehomogénneho magnetického poľa sa dá určiť súčtom všetkých síl (definovaných týmto vzorcom) pôsobiacich na elementárne dipóly, ktoré tvoria magnet.

Je však možný prístup, ktorý znižuje interakciu magnetov na ampérovu silu a samotný vzorec pre silu pôsobiacu na magnetický dipól možno získať aj na základe ampérovej sily.

Fenomén elektromagnetickej indukcie

vektorové pole H merané v ampéroch na meter (A/m) v systéme SI a v oerstedoch v CGS. Oerstedy a gausses sú identické veličiny, ich oddelenie je čisto terminologické.

Energia magnetického poľa

Prírastok hustoty energie magnetického poľa je:

H- sila magnetického poľa, B- magnetická indukcia

Pri lineárnej tenzorovej aproximácii je magnetická permeabilita tenzor (označujeme ho ) a násobenie vektora ňou je násobenie tenzora (matice):

alebo v komponentoch.

Hustota energie v tejto aproximácii sa rovná:

- zložky tenzora magnetickej permeability, - tenzor reprezentovaný maticou inverznou k matici tenzora magnetickej permeability, - magnetická konštanta

Keď sú súradnicové osi zvolené tak, aby sa zhodovali s hlavnými osami tenzora magnetickej permeability, vzorce v komponentoch sú zjednodušené:

sú diagonálne zložky tenzora magnetickej permeability v jeho vlastných osiach (ostatné zložky v týchto špeciálnych súradniciach - a len v nich! - sa rovnajú nule).

V izotropnom lineárnom magnete:

- relatívna magnetická permeabilita

Vo vákuu a:

Energiu magnetického poľa v induktore možno nájsť podľa vzorca:

Ф - magnetický tok, I - prúd, L - indukčnosť cievky alebo cievky s prúdom.

Magnetické vlastnosti látok

Zo zásadného hľadiska, ako už bolo spomenuté vyššie, magnetické pole môže byť vytvárané (a teda - v kontexte tohto odseku - aj zoslabované alebo zosilnené) striedavým elektrickým poľom, elektrickými prúdmi vo forme prúdov nabitých častíc resp. magnetické momenty častíc.

Špecifická mikroskopická štruktúra a vlastnosti rôznych látok (ako aj ich zmesí, zliatin, stavov agregácie, kryštalických modifikácií atď.) vedú k tomu, že na makroskopickej úrovni sa môžu pri pôsobení vonkajšieho magnetického poľa správať úplne inak. (najmä jeho oslabenie alebo zosilnenie v rôznej miere).

V tomto ohľade sú látky (a médiá vo všeobecnosti) vo vzťahu k ich magnetickým vlastnostiam rozdelené do nasledujúcich hlavných skupín:

• Antiferomagnetiká sú látky, v ktorých je stanovené antiferomagnetické usporiadanie magnetických momentov atómov alebo iónov: magnetické momenty látok smerujú opačne a majú rovnakú silu.
• Diamagnety sú látky, ktoré sú magnetizované proti smeru vonkajšieho magnetického poľa.
• Paramagnety sú látky, ktoré sú magnetizované vo vonkajšom magnetickom poli v smere vonkajšieho magnetického poľa.
• Feromagnetiká sú látky, v ktorých sa pod určitou kritickou teplotou (Curieho bod) vytvorí feromagnetický rad magnetických momentov s dlhým dosahom.
• Ferimagnety - materiály, v ktorých magnetické momenty látky smerujú opačne a nemajú rovnakú silu.
• Vyššie uvedené skupiny látok zahŕňajú najmä bežné pevné alebo (niektoré) kvapalné látky, ako aj plyny. Interakcia s magnetickým poľom supravodičov a plazmy sa výrazne líši.

Toki Foucault

Foucaultove prúdy (vírivé prúdy) - uzavreté elektrické prúdy v masívnom vodiči vznikajúce zmenou magnetického toku, ktorý ním preniká. Sú to indukčné prúdy vznikajúce vo vodivom telese buď v dôsledku zmeny v čase magnetického poľa, v ktorom sa nachádza, alebo v dôsledku pohybu telesa v magnetickom poli, čo vedie k zmene magnetického toku cez tela alebo akejkoľvek jeho časti. Podľa Lenzovho pravidla je magnetické pole Foucaultových prúdov nasmerované tak, aby pôsobilo proti zmene magnetického toku, ktorý tieto prúdy indukuje.

História vývoja myšlienok o magnetickom poli

Hoci magnety a magnetizmus boli známe oveľa skôr, štúdium magnetického poľa sa začalo v roku 1269, keď francúzsky vedec Peter Peregrine (rytier Pierre z Méricourtu) zaznamenal magnetické pole na povrchu guľového magnetu pomocou oceľových ihiel a zistil, že výsledné siločiary magnetického poľa sa pretínali v dvoch bodoch, ktoré nazval "póly" analogicky s pólmi Zeme. Takmer o tri storočia neskôr William Gilbert Colchester použil dielo Petra Peregrinusa a po prvý raz definitívne uviedol, že samotná Zem je magnetom. Vydané v roku 1600, Gilbertova práca De Magnete, položil základy magnetizmu ako vedy.

Tri objavy v rade spochybnili tento „základ magnetizmu“. Po prvé, v roku 1819 Hans Christian Oersted zistil, že elektrický prúd vytvára okolo seba magnetické pole. Potom, v roku 1820, André-Marie Ampère ukázal, že paralelné drôty vedúce prúd v rovnakom smere sa navzájom priťahujú. Nakoniec Jean-Baptiste Biot a Félix Savard objavili v roku 1820 zákon nazývaný Biot-Savart-Laplaceov zákon, ktorý správne predpovedal magnetické pole okolo akéhokoľvek vodiča pod napätím.

Po rozšírení týchto experimentov publikoval Ampère v roku 1825 svoj vlastný úspešný model magnetizmu. V ňom ukázal ekvivalenciu elektrického prúdu v magnetoch a namiesto dipólov magnetických nábojov v Poissonovom modeli navrhol myšlienku, že magnetizmus je spojený s neustále tečúcimi prúdovými slučkami. Táto myšlienka vysvetľovala, prečo nebolo možné izolovať magnetický náboj. Okrem toho Ampère odvodil po ňom pomenovaný zákon, ktorý podobne ako Biot-Savart-Laplaceov zákon správne popisoval magnetické pole produkované jednosmerným prúdom a zaviedla sa aj teoréma cirkulácie magnetického poľa. Aj v tejto práci Ampère zaviedol termín „elektrodynamika“, aby opísal vzťah medzi elektrinou a magnetizmom.

Hoci sila magnetického poľa pohybujúceho sa elektrického náboja zahrnutá v Ampérovom zákone nebola výslovne uvedená, v roku 1892 ju Hendrik Lorentz odvodil z Maxwellových rovníc. Zároveň bola v podstate dokončená klasická teória elektrodynamiky.

Dvadsiate storočie rozšírilo pohľady na elektrodynamiku vďaka vzniku teórie relativity a kvantovej mechaniky. Albert Einstein vo svojom článku z roku 1905, kde bola podložená jeho teória relativity, ukázal, že elektrické a magnetické polia sú súčasťou toho istého javu, o ktorom sa uvažuje v r. rôznych systémov odkaz. (Pozri problém s pohyblivým magnetom a vodičom – myšlienkový experiment, ktorý nakoniec pomohol Einsteinovi vyvinúť špeciálnu teóriu relativity). Nakoniec bola kvantová mechanika kombinovaná s elektrodynamikou, čím vznikla kvantová elektrodynamika (QED).

pozri tiež

• Vizualizér magnetického filmu

Poznámky

1. TSB. 1973, "Sovietska encyklopédia".
2. V špeciálnych prípadoch môže magnetické pole existovať aj v neprítomnosti elektrické pole, ale všeobecne povedané, magnetické pole je hlboko prepojené s elektrickým poľom, a to dynamicky (vzájomné generovanie striedaním elektrických a magnetických polí), ako aj v tom zmysle, že pri prechode do nový systém magnetické a elektrické polia sú vyjadrené prostredníctvom seba navzájom, to znamená, že vo všeobecnosti ich nemožno bezpodmienečne oddeliť.
3. Yavorsky B. M., Detlaf A. A. Handbook of Physics: 2. vydanie, prepracované. - M .: Veda, Hlavné vydanie fyzikálnej a matematickej literatúry, 1985, - 512 s.
4. V SI sa magnetická indukcia meria v teslach (T), v systéme cgs v gaussoch.
5. V sústave jednotiek CGS sa presne zhodujú, v SI sa líšia konštantným koeficientom, čo samozrejme nemení fakt ich praktickej fyzickej identity.
6. Najdôležitejší a povrchný rozdiel je v tom, že sila pôsobiaca na pohybujúcu sa časticu (alebo na magnetický dipól) je vypočítaná presne z hľadiska a nie z hľadiska . Akákoľvek iná fyzikálne správna a zmysluplná metóda merania ju tiež umožní zmerať, aj keď niekedy sa ukáže, že je vhodnejšia pre formálny výpočet - aký zmysel má v skutočnosti zavedenie tejto pomocnej veličiny (inak by sme to urobili úplne bez neho, iba pomocou
7. Treba však dobre pochopiť, že množstvo základných vlastností tejto „hmoty“ sa zásadne líši od vlastností tej normálny vzhľad„hmota“, ktorá by sa dala označiť pojmom „látka“.
8. Pozri Ampérovu vetu.
9. Pre homogénne pole dáva tento výraz nulovú silu, pretože všetky derivácie sú rovné nule B podľa súradníc.
10. Sivukhin D.V. Všeobecný kurz fyzika. - Ed. 4., stereotypné. - M .: Fizmatlit; Vydavateľstvo MIPT, 2004. - ročník III. Elektrina. - 656 s. - ISBN 5-9221-0227-3; ISBN 5-89155-086-5.

Magnetické polia sa vyskytujú prirodzene a môžu byť vytvorené umelo. Muž si ich všimol užitočné funkcie ktoré sa naučili aplikovať v Každodenný život. Čo je zdrojom magnetického poľa?

Ako sa vyvinula doktrína magnetického poľa

Magnetické vlastnosti niektorých látok si všimli už v staroveku, no ich skutočné štúdium začalo v r stredovekej Európe. Pomocou malých oceľových ihiel objavil vedec z Francúzska Peregrine priesečník magnetických siločiar v určitých bodoch – póloch. Len o tri storočia neskôr, vedený týmto objavom, Gilbert pokračoval v jeho štúdiu a následne obhájil svoju hypotézu, že Zem má svoje vlastné magnetické pole.

Rýchly rozvoj teórie magnetizmu sa začal začiatkom 19. storočia, keď Ampère objavil a opísal vplyv elektrického poľa na vznik magnetického poľa a objav Faradaya elektromagnetická indukcia vytvorili inverzný vzťah.

Čo je magnetické pole

Magnetické pole sa prejavuje silovým účinkom na elektrické náboje, ktoré sú v pohybe, alebo na telesá, ktoré majú magnetický moment.

1. vodiče, cez ktoré prechádza elektrický prúd;
2. permanentné magnety;
3. meniace sa elektrické pole.

Základná príčina vzniku magnetického poľa je pre všetky zdroje rovnaká: elektrické mikronáboje - elektróny, ióny alebo protóny - majú svoj vlastný magnetický moment alebo sú v priamom pohybe.

Dôležité! Vzájomne sa vytvárajú elektrické a magnetické polia, ktoré sa časom menia. Tento vzťah je určený Maxwellovými rovnicami.

Charakteristiky magnetického poľa

Charakteristiky magnetického poľa sú:

1. Magnetický tok, skalárna veličina, ktorá určuje, koľko siločiar magnetického poľa prechádza daným úsekom. Označené písmenom F. Vypočítané podľa vzorca:

F = B x S x cos α,

kde B je vektor magnetickej indukcie, S je rez, α je uhol sklonu vektora ku kolmici vedenej k rovine rezu. Jednotka merania - weber (Wb);

1. Vektor magnetickej indukcie (B) znázorňuje silu pôsobiacu na nosiče náboja. Smeruje k severnému pólu, kam smeruje obvyklá magnetická ihla. Kvantitatívne sa magnetická indukcia meria v teslach (Tl);
2. MP napätie (N). Je určená magnetickou permeabilitou rôznych médií. Vo vákuu sa priepustnosť berie ako jednota. Smer vektora intenzity sa zhoduje so smerom magnetickej indukcie. Jednotka merania - A / m.

Ako znázorniť magnetické pole

Na príklade permanentného magnetu je dobre vidieť prejavy magnetického poľa. Má dva póly a v závislosti od orientácie sa dva magnety priťahujú alebo odpudzujú. Magnetické pole charakterizuje procesy prebiehajúce v tomto prípade:

1. MP je matematicky opísaný ako vektorové pole. Dá sa skonštruovať pomocou mnohých vektorov magnetickej indukcie B, z ktorých každý smeruje k severnému pólu strelky kompasu a má dĺžku závislú od magnetickej sily;
2. Alternatívnym spôsobom reprezentácie je použitie siločiar. Tieto čiary sa nikdy nepretínajú, nikde nezačínajú ani nezastavujú a tvoria uzavreté slučky. MF čiary sa spájajú vo častejších oblastiach, kde je magnetické pole najsilnejšie.

Dôležité! Hustota siločiar udáva silu magnetického poľa.

Hoci v skutočnosti MF nie je možné vidieť, siločiary sa dajú ľahko vizualizovať reálny svet, umiestňovanie železných pilín do MP. Každá častica sa správa ako malý magnet so severným a južným pólom. Výsledkom je vzor podobný siločiaram. Človek nie je schopný cítiť vplyv MP.

Meranie magnetického poľa

Keďže ide o vektorovú veličinu, existujú dva parametre na meranie MF: sila a smer. Smer sa ľahko meria pomocou kompasu pripojeného k poľu. Príkladom je kompas umiestnený v magnetickom poli Zeme.

Meranie iných charakteristík je oveľa náročnejšie. Praktické magnetometre sa objavili až v 19. storočí. Väčšina z nich pracuje s využitím sily, ktorú elektrón cíti pri pohybe cez magnetické pole.

Veľmi presné meranie malých magnetických polí sa stalo praktickým od objavu v roku 1988 obrovského magnetorezistencie vo vrstvených materiáloch. Tento objav základnej fyziky bol rýchlo aplikovaný na technológiu magnetických pevných diskov na ukladanie údajov v počítačoch, čo viedlo k tisícnásobnému zvýšeniu úložnej kapacity v priebehu niekoľkých rokov.

Vo všeobecne akceptovaných meracích systémoch sa MF meria v testoch (T) alebo v gaussoch (Gs). 1 T = 10 000 gaussov. Gauss sa často používa, pretože Tesla je príliš veľké pole.

zaujímavé. Malý magnet na chladničku vytvára MF rovnajúce sa 0,001 T a magnetické pole Zeme je v priemere 0,00005 T.

Povaha magnetického poľa

Magnetizmus a magnetické polia sú prejavom elektromagnetickej sily. Existujú dva možné spôsoby ako organizovať energetický náboj v pohybe a následne aj magnetické pole.

Prvým je pripojenie vodiča k zdroju prúdu, okolo neho sa vytvorí MF.

Dôležité! Keď sa prúd (počet nábojov v pohybe) zvyšuje, MP sa úmerne zvyšuje. Keď sa vzďaľujete od drôtu, pole sa zmenšuje so vzdialenosťou. Popisuje to Ampérov zákon.

Niektoré materiály s vyššou magnetickou permeabilitou sú schopné koncentrovať magnetické polia.

Keďže magnetické pole je vektor, je potrebné určiť jeho smer. Pre obyčajný prúd pretekajúci priamym vodičom možno smer nájsť podľa pravidla pravej ruky.

Ak chcete použiť pravidlo, musíte si predstaviť, že drôt je zabalený pravá ruka a palec ukazuje smer prúdu. Potom ďalšie štyri prsty ukážu smer vektora magnetickej indukcie okolo vodiča.

Druhým spôsobom vytvorenia MF je využitie skutočnosti, že elektróny sa objavujú v niektorých látkach, ktoré majú svoj vlastný magnetický moment. Takto fungujú permanentné magnety:

1. Hoci atómy majú často veľa elektrónov, väčšinou sú spojené tak, že sa celkové magnetické pole dvojice ruší. O dvoch takto spárovaných elektrónoch sa hovorí, že majú opačné spiny. Preto, aby ste niečo zmagnetizovali, potrebujete atómy, ktoré majú jeden alebo viac elektrónov s rovnakým spinom. Napríklad železo má štyri takéto elektróny a je vhodné na výrobu magnetov;
2. Miliardy elektrónov v atómoch môžu byť náhodne orientované a nebude existovať žiadne spoločné magnetické pole, bez ohľadu na to, koľko nepárových elektrónov má materiál. Musí byť stabilná pri nízkej teplote, aby poskytla celkovo preferovanú orientáciu elektrónov. Vysoká magnetická permeabilita spôsobuje magnetizáciu takýchto látok za určitých podmienok mimo vplyvu magnetického poľa. Sú to feromagnety;
3. Iné materiály môžu vykazovať magnetické vlastnosti v prítomnosti vonkajšieho magnetického poľa. Vonkajšie pole slúži na vyrovnanie všetkých spinov elektrónov, ktoré po odstránení MF zaniknú. Tieto látky sú paramagnetické. Kovové dvere chladničky sú príkladom paramagnetu.

Zem môže byť reprezentovaná vo forme kondenzátorových dosiek, ktorých náboj má opačné znamenie: "mínus" - pri zemského povrchu a "plus" - v ionosfére. Medzi nimi je atmosférický vzduch ako izolačná podložka. Obrovský kondenzátor si vďaka vplyvu zemského magnetického poľa zachováva konštantný náboj. Pomocou týchto poznatkov je možné vytvoriť schému získavania elektrickej energie z magnetického poľa Zeme. Je pravda, že výsledkom budú nízke hodnoty napätia.

Treba vziať:

• uzemňovacie zariadenie;
• drôt;
• Tesla transformátor, schopný generovať vysokofrekvenčné oscilácie a vytvárať korónový výboj, ionizujúci vzduch.

Teslova cievka bude fungovať ako emitor elektrónov. Celá konštrukcia je prepojená a aby bol zabezpečený dostatočný potenciálový rozdiel, musí byť transformátor zdvihnutý do značnej výšky. Tak sa vytvorí elektrický obvod cez ktorý bude tiecť malý prúd. Získajte veľké množstvo elektrina pomocou tohto zariadenia nie je možná.

Elektrina a magnetizmus dominujú mnohým svetom okolo človeka: od najzákladnejších procesov v prírode až po špičkové elektronické zariadenia.

Video

Tak ako elektrický náboj v pokoji pôsobí na iný náboj cez elektrické pole, elektrický prúd pôsobí na iný prúd cez magnetické pole. Pôsobenie magnetického poľa na permanentné magnety sa redukuje na jeho pôsobenie na náboje pohybujúce sa v atómoch látky a vytvárajúce mikroskopické kruhové prúdy.

Doktrína o elektromagnetizmu na základe dvoch predpokladov:

• magnetické pole pôsobí na pohybujúce sa náboje a prúdy;
• okolo prúdov a pohybujúcich sa nábojov vzniká magnetické pole.

Interakcia magnetov

Permanentný magnet(alebo magnetická ihla) je orientovaná pozdĺž magnetického poludníka Zeme. Koniec smerujúci na sever sa nazýva severný pól(N) a opačný koniec je Južný pól(S). Pri priblížení dvoch magnetov k sebe si všimneme, že ich podobné póly sa odpudzujú a opačné sa priťahujú ( ryža. jeden ).

Ak oddelíme póly rozrezaním permanentného magnetu na dve časti, potom zistíme, že každý z nich bude mať tiež dva póly t.j. bude to permanentný magnet ( ryža. 2 ). Oba póly – severný aj južný – sú od seba neoddeliteľné, rovnocenné.

Magnetické pole vytvorené Zemou alebo permanentnými magnetmi je znázornené podobne ako elektrické pole magnetickými siločiarami. Obraz siločiar magnetického poľa akéhokoľvek magnetu možno získať tak, že naň položíte list papiera, na ktorý sú v rovnomernej vrstve nasypané železné piliny. Keď sa piliny dostanú do magnetického poľa, zmagnetizujú sa - každá z nich má severný a južný pól. Opačné póly majú tendenciu sa k sebe približovať, tomu však bráni trenie pilín o papier. Ak poklepete na papier prstom, trenie sa zníži a piliny sa budú navzájom priťahovať, čím sa vytvoria reťazce, ktoré predstavujú čiary magnetického poľa.

Na ryža. 3 znázorňuje umiestnenie v poli priameho magnetu pilín a malé magnetické šípky označujúce smer magnetických siločiar. Pre tento smer sa berie smer severného pólu magnetickej ihly.

Oerstedova skúsenosť. Prúd magnetického poľa

AT začiatkom XIX v. dánsky vedec Oersted urobil dôležitý objav, objavovanie pôsobenie elektrického prúdu na permanentné magnety . Blízko magnetickej ihly umiestnil dlhý drôt. Keď drôtom prešiel prúd, šípka sa otočila a snažila sa byť na ňu kolmá ( ryža. štyri ). Dalo by sa to vysvetliť objavením sa magnetického poľa okolo vodiča.

Magnetické siločiary poľa vytvoreného jednosmerným vodičom s prúdom sú sústredné kružnice umiestnené v rovine naň kolmej so stredmi v bode, ktorým prúd prechádza ( ryža. 5 ). Smer čiar je určený správnym skrutkovým pravidlom:

Ak sa skrutka otáča v smere siločiar, bude sa pohybovať v smere prúdu vo vodiči .

Silová charakteristika magnetického poľa je vektor magnetickej indukcie B . V každom bode smeruje tangenciálne k siločiaru. Elektrické siločiary začínajú v kladné náboje a končia v zápore a sila pôsobiaca v tomto poli na náboj smeruje tangenciálne k priamke v každom jej bode. Na rozdiel od elektrického poľa sú čiary magnetického poľa uzavreté, čo je spôsobené absenciou "magnetických nábojov" v prírode.

Magnetické pole prúdu sa v zásade nelíši od poľa vytvoreného permanentným magnetom. V tomto zmysle je analógom plochého magnetu dlhý solenoid - cievka drôtu, ktorej dĺžka je oveľa väčšia ako jej priemer. Diagram čiar magnetického poľa, ktorý vytvoril, znázornený v ryža. 6 , podobne ako pre plochý magnet ( ryža. 3 ). Kruhy označujú časti drôtu tvoriace vinutie solenoidu. Prúdy pretekajúce drôtom od pozorovateľa sú označené krížikmi a prúdy v opačnom smere - k pozorovateľovi - sú označené bodkami. Rovnaké označenia sú akceptované pre magnetické siločiary, keď sú kolmé na rovinu výkresu ( ryža. 7 a, b).

Smer prúdu v solenoidovom vinutí a smer magnetických siločiar vo vnútri tiež súvisia podľa pravidla pravej skrutky, ktoré je v tomto prípade formulované takto:

Ak sa pozriete pozdĺž osi solenoidu, potom prúd tečúci v smere hodinových ručičiek v ňom vytvára magnetické pole, ktorého smer sa zhoduje so smerom pohybu pravej skrutky ( ryža. osem )

Na základe tohto pravidla je ľahké zistiť, že solenoid zobrazený v ryža. 6 , jeho pravý koniec je severný pól a jeho ľavý koniec je južný pól.

Magnetické pole vo vnútri solenoidu je homogénne - vektor magnetickej indukcie tam má konštantnú hodnotu (B = const). V tomto ohľade je solenoid podobný plochému kondenzátoru, vo vnútri ktorého sa vytvára rovnomerné elektrické pole.

Sila pôsobiaca v magnetickom poli na vodič s prúdom

Experimentálne sa zistilo, že sila pôsobí na vodič s prúdom v magnetickom poli. V rovnomernom poli pôsobí priamočiary vodič dĺžky l, cez ktorý preteká prúd I, umiestnený kolmo na vektor poľa B, silu: F = I l B .

Smer sily je určený pravidlo ľavej ruky:

Ak sú štyri vystreté prsty ľavej ruky umiestnené v smere prúdu vo vodiči a dlaň je kolmá na vektor B, zatiahnutý palec bude ukazovať smer sily pôsobiacej na vodič. (ryža. 9 ).

Treba poznamenať, že sila pôsobiaca na vodič s prúdom v magnetickom poli nie je nasmerovaná tangenciálne k jeho siločiaram ako elektrická sila, ale kolmo na ne. Vodič umiestnený pozdĺž siločiar nie je ovplyvnený magnetickou silou.

Rovnica F = ILB umožňuje poskytnúť kvantitatívnu charakteristiku indukcie magnetického poľa.

Postoj nezávisí od vlastností vodiča a charakterizuje samotné magnetické pole.

Modul vektora magnetickej indukcie B sa číselne rovná sile pôsobiacej na vodič jednotkovej dĺžky umiestnený kolmo naň, ktorým preteká prúd jeden ampér.

V sústave SI je jednotkou indukcie magnetického poľa tesla (T):

Magnetické pole. Tabuľky, schémy, vzorce

(Interakcia magnetov, Oerstedov experiment, vektor magnetickej indukcie, smer vektora, princíp superpozície. Grafický obrázok magnetické polia, čiary magnetickej indukcie. Magnetický tok, energetická charakteristika poľa. Magnetické sily, Ampérová sila, Lorentzova sila. Pohyb nabitých častíc v magnetickom poli. Magnetické vlastnosti hmoty, Amperova hypotéza)