Что называется магнитным полем

Магнитное поле — это поле, которое можно определить как пространство вокруг магнита, в котором действуют магнитные силы.

Как известно, электрический ток может оказывать различные действия, например, тепловые, химические и магнитные. Магнитное действие проявляется, например, в том, что между проводниками с электрическим током возникают силы взаимодействия, которые называются магнитными силами.

Магнитное взаимодействие

Еще в древности было замечено, что одни тела притягивают другие тела. Янтарь следует натирать, чтобы он притягивал к себе волосы или обрывки ткани, но магниты всегда притягивают, но только железные предметы. Древние люди также обнаружили, что магнит может заставить другое тело, сделанное из железа, приобрести магнитные свойства, если держать его достаточно близко к магниту. Они также заметили, что две стороны магнита имеют разные свойства — обращенные друг к другу магниты могут притягивать или отталкивать друг друга.

Уже в настоящее время мы знаем, что магнитное поле возникает между полюсами магнитного материала. Полюса бывают северными и южными. Вы, наверное, сами сталкивались с тем, что когда вы сводите два магнита вместе, они либо притягиваются, либо отталкиваются друг от друга. Это происходит потому, что магнитные полюса с разными названиями (север-юг) притягиваются, а полюса с одинаковыми названиями (север-север, юг-юг) отталкиваются.

Магнитное поле тела часто представляют в виде диаграммы линий поля. Если внести ферромагнитное тело в магнитное поле, оно выровняется вдоль линий поля. Ферромагниты — самые известные магниты, создающие постоянное магнитное поле.

Если мы поднесем некоторое количество железных скрепок к магниту, то заметим, что большинство скрепок скопятся на концах магнита (называемых полюсами), потому что магнитная сила там наибольшая. Однако в середине магнита она имеет наименьшее значение. Магнитные силы действуют в пространстве вокруг магнита и создают то самое магнитное поле.

Магнитное поле невидимо, но, используя железные опилки, вы можете наблюдать его эффекты (см. рисунок 1).

Железные опилки расположились характерным способом около магнита

Большая часть железных опилок скапливается возле полюсов, а остальные располагаются вдоль линий поля. Они представляют собой линии магнитного поля, которые окружают магнит. Железные опилки намагничиваются, т.е. приобретают магнитные свойства и становятся маленькими магнитами, которые притягивают друг друга.

Магнитное поле

Физика

Как магнитное поле назвали магнитной индукцией

Магни́тное по́ле, магнитная составляющая электромагнитного поля ; физическое поле , оказывающее механическое силовое воздействие на движущиеся электрические заряды , на проводники , по которым течёт электрический ток , на постоянные магниты и другие физические объекты, обладающие магнитным моментом . Изменяющееся во времени магнитное поле создаёт переменное электрическое поле , которое, в свою очередь, создаёт переменное магнитное поле, что обеспечивает существование электромагнитных волн , в которых переменные электрические и магнитные поля взаимно поддерживают друг друга.

Термин «магнитное поле» ввёл в 1845 г. М. Фарадей , автор концепции физического поля – ключевого понятия современной физики, являющегося, по мнению А. Эйнштейна , самым важным физическим открытием со времён создания И. Ньютоном основ классической механики .

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B , boldsymbol, B , с помощью которого определяются механические силы и вращательные моменты сил, действующие со стороны магнитного поля на движущиеся заряды, токи и тела, обладающие магнитным моментом. Магнитное поле также характеризуется вектором напряжённости магнитного поля H ; boldsymbol; H ; индукция и напряжённость магнитного поля, находящегося в изотропной среде, связаны выражением: H = B μ 0 μ , boldsymbol = frac<boldsymbol><mu_0 mu>, H = μ 0 ​ μ B ​ , где μ mu μ – магнитная проницаемость среды, μ 0 mu_0 μ 0 ​ – магнитная постоянная .

Источниками магнитного поля являются проводники с током, движущиеся заряды, физические объекты и тела, обладающие магнитным моментом . Для измерения характеристик магнитного поля используют различные магнитометры .

В технических приложениях магнитные поля по величине магнитной индукции B B B подразделяют на слабые (до 0,05 Тл), средние (0,05–4 Тл), сильные (4–100 Тл) и сверхсильные (свыше 100 Тл). Слабые и средние магнитные поля широко используются в радиотехнике и электронике , электротехнике и электроэнергетике . Их получают с помощью постоянных магнитов и электромагнитов (в том числе сверхпроводящих ).

Сильные магнитные поля используются в мощных электротехнических и электрофизических установках, в том числе в ускорителях заряженных частиц , в разрабатываемых энергетических установках управляемого термоядерного синтеза (проект ITER, International Termonuclear Energy Reactor). Для получения постоянного сильного магнитного поля (до 20–30 Тл) применяют сверхпроводящие соленоиды с дополнительным теплоотводом. Более сильные магнитные поля (до 160 Тл) удаётся получать только в течение коротких промежутков времени с помощью импульсных соленоидов, через которые пропускается мощный разрядный ток короткого замыкания , или с помощью магнитокумулятивных (взрывомагнитных) генераторов (до 1 0 3 10^3 1 0 3 Тл), в которых начальное магнитное поле очень быстро сжимается внутри проводящей оболочки, многократно возрастая в силу сохранения магнитного потока Φ = B S Phi = boldsymbol Φ = BS при взрывном уменьшении площади поперечного сечения S S S проводящей оболочки, заполненной магнитным полем.

Наблюдаемые природные магнитные поля имеют разные величины: магнитное поле Земли на её поверхности составляет около 5 ⋅ 1 0 – 5 5 cdot 10^ 5 ⋅ 1 0 –5 Тл, магнитное поле Юпитера – порядка
1 0 – 3 10^ 1 0 –3 Тл, магнитное поле внутри солнечных пятен составляет доли Тл, отдельные звёзды обладают магнитным полем с индукцией порядка нескольких Тл. Наибольшими магнитными полями обладают звёзды, находящиеся на конечном этапе своей эволюции, когда их размеры значительно уменьшаются (магнитокумулятивный механизм усиления магнитного поля). У белых карликов наблюдаются магнитные поля порядка 1 0 3 10^3 1 0 3 Тл, у нейтронных звёзд – порядка 1 0 7 10^7 1 0 7 Тл; у четырёх нейтронных звёзд (трёх в нашей Галактике и одной в её спутнике – Большом Магеллановом Облаке ) обнаружены магнитные поля порядка 1 0 11 10^ 1 0 11 Тл.

Опубликовано 20 января 2023 г. в 19:36 (GMT+3). Последнее обновление 20 января 2023 г. в 19:36 (GMT+3). Связаться с редакцией

Опыт Эрстеда

Самое главное экспериментальное доказательство того, что магнитное поле возникает из-за движения зарядов — это опыт Эрстеда. В1820 году Эр­стед опыт­ным пу­тём свя­зал элек­три­че­ст­во и маг­не­тизм с по­мо­щью экс­пе­ри­мен­та с от­кло­не­ни­ем стрел­ки ком­па­са.

Это явление использовали, когда создавали первые ам­пер­мет­ры, так как от­кло­не­ние стрел­ки про­пор­цио­наль­но ве­ли­чи­не то­ка. Оно ле­жит в ос­но­ве лю­бо­го элек­тро­маг­ни­та.

Курсы подготовки к ОГЭ по физике помогут снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.

Магнитное поле

Движение электрических зарядов всегда создает магнитное поле, а магнитное поле, в свою очередь, всегда вызывает перемещение электрических зарядов.

Так как ток ― это направленное перемещение электрических зарядов, то протекание тока в проводнике всегда создает магнитное поле вокруг проводника.

Линии магнитного поля, которое создается проводниками с электрическим током.

Для изображения магнитных полей используют магнитные силовые линии ― линии, на которых модуль вектора магнитной индукции одинаков и равен В, а сам вектор магнитной индукции (overrightarrow) направлен по касательной к линии. Линии магнитной индукции всегда замкнуты.

Для обозначения направлений движения тока и направлений магнитных силовых линий, помимо стрелок «вправо» → и «влево» ←, используются знаки «от нас» ― ⊗ или ⊕ (как торец оперения стрелы, летящей от нас), и «к нам» • или ⊙ (как острие летящей на нас стрелы).

Чтобы определить направление вектора магнитной индукции (overrightarrow) , которое создает ток, протекающий в прямом проводнике, используется правило правого винта: если представить, что вкручиваешь винт по направлению тока ― то направление вращения винта покажет направление вектора магнитной индукции.

Магнитное поле, которое создает ток в прямом проводнике, представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. При этом, некоторая область магнитного поля всегда направлена на нас, а другая ― от нас.

Чтобы определить направление вектора магнитной индукции (overrightarrow) , которое создает ток, в круговом проводнике или витках катушки, используется правило правого винта: если ток вращается по часовой стрелке, то магнитное поле будет направленно «от нас». Если ток течет против часовой стрелки, то ток будет направлен «на нас».

Сила Ампера ― сила, действующая на проводник с током со стороны магнитного поля.

Сила ампера равна

I ― сила тока в проводнике [A];

sinα ― синус угла между проводником и вектором магнитной индукции.

Сила Ампера максимальна, если между проводником и вектором магнитной индукции угол равен α = 90°, так как sinα = sin90° = 1 и FA = IBLsin90° = IBL.

Если проводник расположен параллельно вектору магнитной индукции, т. е. α = 0° ― сила Ампера отсутствует, так как sinα = sin0° = 0 и FA = IBLsin0° = 0.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если ладонь расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца указывали направление тока ― то противопоставленный большой палец укажет направление силы Ампера.

Взаимодействие проводников с током

Ток, протекающий в проводнике, создает магнитное поле. Если рядом расположен еще один проводник, в котором протекает ток ― то второй проводник оказывается в магнитном поле, которое создает первый. На проводник в магнитном поле действует сила Ампера, в результате чего проводники с током или притягиваются, или отталкиваются друг от друга.

Пусть в проводниках 1 и 2 токи текут в одном направлении. Тогда первый проводник создает магнитное поле, направленное против часовой стрелки. В области, близлежащей к проводнику 2 это поле направлено перпендикулярно проводнику и от него. Согласно правилу левой руки, сила Ампера, которая действует со стороны магнитного поля, создаваемого проводником 1 на проводник с током 2, F1-2 направлено в сторону проводника 1.

Магнитное поле и его характеристики

  1. Магнитное поле. Индукция и напряженность магнитного поля.
  2. Магнитный поток. Теорема Гаусса для магнитного потока.
  3. Закон Био-Савара-Лапласа и его применение для расчета магнитных полей.
  4. Теорема о циркуляции вектора (закон полного тока) и ее применение для расчета магнитных полей.

    Магнитное поле — форма существования материи, окружающей движущиеся электрические заряды (проводники с током, постоянные магниты). Это название обусловлено тем, что, как обнаружил в 1820 году датский физик Ханс Эрстед, оно оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку. Опыт Эрстеда: под проволокой с током помещалась магнитная стрелка, вращающаяся на игле. При включении тока она устанавливалась перпендикулярно проволоке; при изменении направления тока поворачивалась в противоположную сторону. Основные свойства магнитного поля:

    1. порождается движущимися электрическими зарядами, проводниками с током, постоянными магнитами и переменным электрическим полем;
    2. действует с силой на движущиеся электрические заряды, проводники с током, намагниченные тела;
    3. переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле.

    Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер и должно иметь векторную силовую характеристику. Ее обозначают и называют магнитной индукцией. Магнитное поле изображается графически с помощью магнитных силовых линий или линий магнитной индукции. Магнитными силовымилиниями называются линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются железные опилки или оси маленьких магнитных стрелок. В каждой точке такой линии вектор направлен по касательной. Линии магнитной индукции всегда замкнуты, что говорит об отсутствии в природе магнитных зарядов и вихревом характере магнитного поля. Условно они выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Густота линий выбирается так, чтобы число линий через единицу площади, перпендикулярную магнитному полю, было пропорционально величине магнитной индукции. Н Магнитное соленоида с током аправление линий определяется правилом правого винта. Соленоид — катушка с током, витки которой расположены вплотную друг к другу, а диаметр витка много меньше длины катушки. Магнитное поле внутри соленоида является однородным. Магнитное поле называется однородным, если вектор в любой точке постоянен. Магнитное поле соленоида аналогично магнитному полю полосового магнита. С оленоид с током представляет собой электромагнит. Опыт показывает, что для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: индукция магнитного поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме индукций магнитных полей, создаваемых каждым током или зарядом: Вектор вводится одним из 3-х способов: а) из закона Ампера; б) по действию магнитного поля на рамку с током; в) из выражения для силы Лоренца. Ампер экспериментально установил, что сила с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током I, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна силе тока I и векторному произведению элемента длины на магнитную индукцию : — закон Ампера Направление вектора может быть найдено согласно общим правилам векторного произведения, откуда следует правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы магнитные силовые линии входили в нее, а 4 вытянутых пальца направить по току, то отогнутый большой палец покажет направление силы. Сила, действующая на провод конечной длины, найдется интегрированием по всей длине. При I = const, B=const, F = BIlsin Если  =90 0 , F = BIl Индукция магнитного поля — векторная физическая величина, численно равная силе, действующей в однородном магнитном поле на проводник единичной длины с единичной силой тока, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям. 1Тл — индукция однородного магнитного поля, в котором на проводник длиной 1м с током в 1А, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям, действует сила 1Н. До сих пор мы рассматривали макротоки, текущие в проводниках. Однако, согласно предположению Ампера, в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах. Эти микроскопические молекулярные токи создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в полях макротоков, создавая в теле дополнительное магнитное поле. Вектор характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками, т.е. при одном и том же макротоке вектор в различных средах имеет разные значения. Магнитное поле макротоков описывается вектором магнитной напряженности . Для однородной изотропной среды , 0= 410 -7 Гн/м — магнитная постоянная, 0= 410 -7 Н/А 2 ,  — магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков изменяется за счет поля микротоков среды.

    Магнитное поле

    Магнитное поле – особый вид материи. Оно проявляется в действии на движущиеся электрические заряды и тела, которые обладают собственным магнитным моментом (постоянные магниты).

    Важно: на неподвижные заряды магнитное поле не действует! Создается магнитное поле также движущимися электрическими зарядами, либо изменяющимся во времени электрическим полем, либо магнитными моментами электронов в атомах. То есть любой провод, по которому течет ток, становится также и магнитом!

    Магнит

    Магнит — тело, обладающее собственным магнитным полем.

    У магнита есть полюса, называемые северным и южным. Обозначения «северный» и «южный» даны лишь для удобства (как «плюс» и «минус» в электричестве).

    Магнитное поле изображается посредством силовых магнитных линий. Силовые линии непрерывны и замкнуты, а их направление всегда совпадает с направлением действия сил поля. Если вокруг постоянного магнита рассыпать металлическую стружку, частицы металла покажут наглядную картину силовых линий магнитного поля, выходящих из северного и входящих в южный полюс. Графическая характеристика магнитного поля — силовые линии.

    Характеристики магнитного поля

    Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток и магнитная проницаемость. Но давайте обо всем по порядку.

    Сразу отметим, что все единицы измерения приводятся в системе СИ.

    Магнитная индукция B – векторная физическая величина, являющаяся основной силовой характеристикой магнитного поля. Обозначается буквой B. Единица измерения магнитной индукции – Тесла (Тл).

    Магнитная индукция показывает, насколько сильно поле, определяя силу, с которой оно действует на заряд. Данная сила называется силой Лоренца.

    Здесь q — заряд, v — его скорость в магнитном поле, B — индукция, F — сила Лоренца, с которой поле действует на заряд.

    Магнитный поток Ф – физическая величина, равная произведению магнитной индукции на площадь контура и косинус между вектором индукции и нормалью к плоскости контура, через который проходит поток. Магнитный поток — скалярная характеристика магнитного поля.

    Можно сказать, что магнитный поток характеризует количество линий магнитной индукции, пронизывающих единицу площади. Магнитный поток измеряется в Веберах (Вб).

    Магнитная проницаемость – коэффициент, определяющий магнитные свойства среды. Одним из параметров, от которых зависит магнитная индукция поля, является магнитная проницаемость.

    Сила Ампера

    Сила Ампера – сила, которая действует на проводник с током, находящийся в магнитном поле.

    Закон Ампера: на проводник c током силой ​ ( I ) ​ длиной ​ ( l ) ​, помещенный в магнитное поле с индукцией ​ ( vec ) ​, действует сила, модуль которой равен:

    где ​ ( alpha ) ​ – угол между проводником с током и вектором магнитной индукции ​ ( vec ) ​.

    Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​ ( B_perp ) ​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.

    Сила Ампера не является центральной. Она направлена перпендикулярно линиям магнитной индукции.

    Сила Ампера широко используется. В технических устройствах создают магнитное поле с помощью проводников, по которым течет электрический ток. Электромагниты используют в электромеханическом реле для дистанционного выключения электрических цепей, магнитном подъемном кране, жестком диске компьютера, записывающей головке видеомагнитофона, в кинескопе телевизора, мониторе компьютера. В быту, на транспорте и в промышленности широко применяют электрические двигатели. Взаимодействие электромагнита с полем постоянного магнита позволило создать электроизмерительные приборы (амперметр, вольтметр).

    Простейшей моделью электродвигателя служит рамка с током, помещенная в магнитное поле постоянного магнита. В реальных электродвигателях вместо постоянных магнитов используют электромагниты, вместо рамки – обмотки с большим числом витков провода.

    Коэффициент полезного действия электродвигателя:

    где ​ ( N ) ​ – механическая мощность, развиваемая двигателем.

    Коэффициент полезного действия электродвигателя очень высок.

    Алгоритм решения задач о действии магнитного поля на проводники с током:

    • сделать схематический чертеж, на котором указать проводник или контур с током и направление силовых линий поля;
    • отметить углы между направлением поля и отдельными элементами контура;
    • используя правило левой руки, определить направление силы Ампера, действующей на проводник с током или на каждый элемент контура, и показать эти силы на чертеже;
    • указать все остальные силы, действующие на проводник или контур;
    • записать формулы для остальных сил, упоминаемых в задаче. Выразить силы через величины, от которых они зависят. Если проводник находится в равновесии, то необходимо записать условие его равновесия (равенство нулю суммы сил и моментов сил);
    • записать второй закон Ньютона в векторном виде и в проекциях;
    • решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
    • решение проверить.

    Сила Лоренца

    Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

    Формула для нахождения силы Лоренца:

    где ​ ( q ) ​ – заряд частицы, ​ ( v ) ​ – скорость частицы, ​ ( B ) ​ – модуль вектора магнитной индукции, ​ ( alpha ) ​ – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.

    Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​ ( B_perp ) ​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.

    Если заряд частицы отрицательный, то направление силы изменяется на противоположное.

    Важно!
    Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно.

    В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.

    Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:

    где ​ ( m ) ​ – масса частицы, ​ ( v ) ​ – скорость частицы, ​ ( B ) ​ – модуль вектора магнитной индукции, ​ ( q ) ​ – заряд частицы.

    В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для вычисления периода обращения частицы:

    Угловая скорость движения заряженной частицы:

    Важно!
    Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца изменяется направление скорости частицы.

    В этом случае вектор скорости частицы можно представить как сумму двух векторов скорости, один из которых, ​ ( vec_2 ) ​, параллелен вектору ( vec ) , а другой, ( vec_1 ) , – перпендикулярен ему. Вектор ( vec_1 ) не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор ( vec_2 ) меняется по направлению. Сила Лоренца будет сообщать движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости ( vec_1 ) . Частица будет двигаться по окружности. Период обращения частицы по окружности – ​ ( T ) ​.

    Таким образом, на равномерное движение вдоль линии индукции будет накладываться движение по окружности в плоскости, перпендикулярной вектору ( vec ) . Частица движется по винтовой линии с шагом ​ ( h=v_2T ) ​.

    Важно!
    Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:

    Особенности движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах – устройствах для измерения масс заряженных частиц; ускорителях частиц; для термоизоляции плазмы в установках «Токамак».

    Алгоритм решения задач о действии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:

    • сделать чертеж, указать на нем силовые линии магнитного (и электрического) поля, нарисовать вектор начальной скорости частицы и отметить знак ее заряда;
    • изобразить силы, действующие на заряженную частицу;
    • определить вид траектории частицы;
    • разложить силы, действующие на заряженную частицу, вдоль направления магнитного поля и по направлению, ему перпендикулярному;
    • составить основное уравнение динамики материальной точки по каждому из направлений разложения сил;
    • выразить силы через величины, от которых они зависят;
    • решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
    • решение проверить.
    Оцените статью
    TutShema
    Добавить комментарий