Что служит источником магнитного поля

Чтобы правильно понимать параметры и особенности магнитного поля, требуется дать соответствующие определения тех или иных физических явлений. Не будет лишним напомнить и про то, что такое – магнитное поле, какие величины его характеризуют.

Также очень важен для понимания такой момент, что магнитное поле существует далеко не только у магнитов.

Определение магнитного поля

Итак, под магнитным полем принято подразумевать некую материальную среду, через которое проводники с током или заряженные частицы взаимодействуют друг с другом.

Однако эта среда никак не ощущается человеком. Хотя еще в древности люди начинали подозревать о ее существовании, теоретически и экспериментально доказать существование магнитного поля удалось лишь сравнительно недавно.

Сегодня физиками установлено, что магнитное поле имеется вокруг любых проводников под током. Оно оказывает воздействие на проводник, в результате чего тот движется в сторону действия силы магнитного поля. Если же речь идет о кольцевом проводнике, то он будет совершать обороты вокруг своей оси.

Важное замечание: само по себе это поле не обладает очерченными границами, однако с расстоянием оно начинает стремительно ослабевать. Поэтому на очень большом расстоянии от проводника его или вовсе невозможно зафиксировать, или для этого потребуется использование достаточно мощных приборов.

Токи внутри магнитного поля взаимодействуют между собой с конечной скоростью.

Так и не нашли ответ на вопрос?
Просто напишите,с чем нужна помощь
Мне нужна помощь

Магнитное поле

Физика

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 .

Магнитное поле магнита | Виды магнитных полей | ЕГЭ Физика | Николай Ньютон

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

Источники магнитного поля. Взаимодействие токов. Магнитные силы

В пространстве, которое окружает электрические токи, возникает поле, назы­ваемое магнитным. Магнитное поле создается только движущимися электрическими зарядами.

Оно действует на магниты и на движущиеся заряды, поэтому проводник, по которому течет электрический ток, действует на магнитную струлку. Это явление было открыто в 1820 г. датским физиком Х.Эрстедом:

При изменении направления тока на противоположное происходит переориентация магнитной стрелки на противоположное направление. Следовательно, силовое действие магнитного поля зависит от направления тока, создающего это поле.

В 1911г. А.Ф.Иоффе доказал, что свободные электронные пучки по своему действуют на магнитную стрелку и эквивалентны токам в проводниках.

Магнитостатическое поле и его свойства. Индукция магнитного поля

Индукция магнитного поля равна отношению магнитной силы к произведению заряда на его скорость при условии, что заряд движется перпендикулярно вектору индукции:

вектор индукции является силовой характеристикой магнитного поля. В СИ измеряется в тесла – Т. 1Т=В∙с/м 2 .

Для наглядного изображения электрических полей вводят понятие силовых линий. Силовая линия магнитного – кривая, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением индукции магнитного поля.

Сила Ампера

Для изучения свойств маг­нитного поля, создаваемого токами и постоянными магнитами, используют малые замк­нутые контуры с током и магнитные стрелки. Французский физик А. Ампер установил (рис. 3), что на от­резок проводника длиной dl с током /, помещенный в магнитное поле, действует сила

Здесь В — модуль вектора магнитной индукции В, которая является силовой характери­стикой магнитного поля; а—угол между вектором В и направлением элемента тока I dI.

В векторной форме Закон Ампера:

Правило левой руки: левую руку располагают в таком положении, чтобы перпендику­лярная направлению элемента тока составляющая вектора В входила в ладонь, а че­тыре пальца были направлены по направлению элемента тока. Тогда отведенный под прямым углом большой палец покажет направление силы Ампера.

Магнитный момент

Магнитным моментом плоской рамки с током называют произведение силы тока на площадь рамки:

В СИ .Направление магнитного момента находится по правилу «буравчика».

Вращающийся момент. Принцип суперпозиции магнитных полей

Используя выражение для силы Ампера (1.1), можно показать, что на плоскую рамку с током, помещенную в магнитное поле В, действует вращающий момент:

Если расположить плоскую рамку так, чтобы вектор магнитной индукции В нахо­дился в плоскости рамки, то вращающий момент М будет максимальным (sin(pm^, В) = 1):

Из формулы (1.5) следует, что В = Mmax/(I ∙S), т.е. индукция магнитного поля в данной точке поля численно равна отношению максимального вращающего момен­та Мmax, который действуют на маленькую плоскую рамку, помещенную в область поля в окрестности этой точки, к площади рамки и силе тока в ней. Отметим, что оба эти определения для В согласуются друг с другом.

Отметим, что индукцию В магнитного поля системы проводников с токами опре­деляют, используя принцип суперпозиции, т.е.

где В, — индукция поля, создаваемого в данной точке пространства отдельным про­водником с номером i (i = 1, 2, . n).

2.2. Закон Юио-Савара-Лапласа. Напряженность магнитного поля. Магнитное поле прямолинейного проводника с током. Магнитное поле кругового проводника с током (магнитного диполя). Магнитные поля соленоида и тероида. Взаимодействие параллельных токов. Единицы силы тока – ампер.

Источником магнитного поля Земли является жидкий внешний ядро

Земля также обладает магнитным полем, защищающим нас от солнечного ветра и космического излучения. Это поле имеет дипольную структуру, подобно полю магнитной стрелки.

Источником магнитного поля Земли являются конвекционные движения расплавленного железа и никеля во внешнем ядре планеты. Этот поток электропроводящей жидкости, называемый геодинамо, работает как гигантский электромагнит, поддерживая магнитное поле Земли.

Примеры источников магнитного поля

К основным источникам магнитного поля относят:

  • Постоянные магниты
  • Проводники с электрическим током (катушки, соленоиды)
  • Вращающиеся заряженные тела (электроны в атомах ферромагнетиков)
  • Движущиеся заряженные частицы (электроны, протоны)
  • Переменные электрические поля
  • Вращающееся ядро Земли (геодинамо)

Эти источники могут создавать как постоянные, так и переменные магнитные поля в зависимости от характера движения заряженных частиц.

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.

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.

Магнитометр

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.

Закон 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.

Правило правой руки

Правило правой руки

Второй способ создания МП – использование факта, что в некоторых веществах появляются электроны, обладающие собственным магнитным моментом. Так работают постоянные магниты:

  1. 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;
  2. 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;
  3. 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.

Магнитные материалы

Магнитные материалы играют важную роль в создании магнитных полей. Существуют три основных типа магнетизма: ферромагнетизм, диамагнетизм и парамагнетизм.

Ферромагнетизм

Ферромагнетические материалы обладают способностью сильно притягиваться к магниту и сохранять свою намагниченность после удаления воздействия магнитного поля. Примерами ферромагнетиков являются железо, никель, кобальт и их сплавы.

Диамагнетизм

Диамагнетические материалы слабо отклоняются от магнитного поля и создают слабое противоположное поле. Они не обладают постоянной намагниченностью и теряют свою диамагнитную характеристику после удаления воздействия магнитного поля. Примерами диамагнетиков являются вода, алюминий, медь.

Парамагнетизм

Парамагнетические материалы слабо притягиваются к магниту и немного намагничиваются в направлении магнитного поля. Они также теряют свою парамагнитную характеристику после удаления воздействия магнитного поля. Примерами парамагнетиков являются алюминий, платина, кислород.

Магнитные материалы используются в различных устройствах и системах:

  • Магниты: Ферромагнетические материалы используются для создания постоянных магнитов, которые находят широкое применение в различных устройствах, от динамиков до компасов.
  • Жесткие диски: Жесткие диски компьютеров содержат слои ферромагнетического материала, на которых записывается информация с помощью изменения намагниченности.
  • Трансформаторные сердечники: Ферромагнетические материалы используются для создания сердечников трансформаторов, которые усиливают магнитное поле и обеспечивают эффективную передачу энергии.

Изучение свойств магнитных материалов позволяет разрабатывать новые материалы с улучшенными характеристиками и создавать более эффективные устройства, работающие на основе магнитных полей.

Токи смещения и электрические поля

Взаимосвязь между токами смещения и магнитными полями является одной из основных концепций в физике. Ток смещения – это изменение электрического поля, которое приводит к возникновению магнитного поля.

Когда электрическое поле меняется со временем, оно создает ток смещения в окружающей среде. Этот ток смещения порождает магнитное поле, которое можно измерить и описать законом Био-Савара-Лапласа.

Закон Био-Савара-Лапласа устанавливает, что интенсивность магнитного поля (B) в точке P, находящейся на расстоянии r от элементарного участка проводника (dl), пропорциональна произведению тока проводника (I) на элемент длины проводника (dl) и обратно пропорциональна квадрату расстояния r:

где k – постоянная пропорциональности.

Примеры использования токов смещения для создания магнитных полей включают:

  • Электромагниты: При прохождении электрического тока через обмотку электромагнита, создается магнитное поле. Это применяется в различных устройствах, таких как электромагнитные замки и генераторы.
  • Трансформаторы: В трансформаторах изменение электрического поля в первичной обмотке порождает ток смещения, который создает магнитное поле. Это позволяет передавать энергию от одной обмотки к другой.
  • Индукционные печи: Используются для нагрева металла. Путем создания переменного электрического поля в индукционной печи возникает ток смещения, который порождает магнитное поле и нагревает металлический предмет.

Изучение связи между токами смещения и магнитными полями помогает разрабатывать новые устройства и системы, которые используют электромагнитные явления для различных целей, от энергетики до медицины.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий