Северный полюс и южный полюс на самом деле не совсем северный и южный, а вовсе наоборот. Звучит, как странная фантазия сумасшедшего физика, но это имеет место быть. Разбираемся с полюсами в этой статье.
· Обновлено 31 января 2024
Магнитное поле
Люди только и делают, что говорят про какие-то магнитные бури, привозят магнитики на холодильник, ходят в походы с компасом, который показывает, где север, а где юг. В основе всего этого лежит магнитное поле.
Магнитное поле — это особый вид материи, который существует вокруг магнитов или движущихся зарядов.
У нее есть несколько условий для существования:
- магнитное поле существует независимо от наших знаний о нем;
- порождается только движущимся электрическим зарядом;
- обнаружить магнитное поле можно по действию на движущийся электрический заряд (или проводник с током) с некоторой силой;
- магнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.
Магнитное поле создается только движущимся электрическим зарядом? А как же магниты?
Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Электроны могут вращаться по разным орбитам. На каждой орбите может находиться по два электрона, которые вращаются в разных направлениях.
Но у некоторых веществ не все электроны парные, и несколько электронов крутятся в одном и том же направлении, такие вещества называются ферромагнетиками. А поскольку электрон — заряженная частица, вращающиеся вокруг атома в одну и ту же сторону электроны создают магнитное поле. Получается миниатюрный электромагнит.
Если атомы вещества расположены в произвольном порядке, поля этих крошечных магнитиков компенсируют друг друга. Но если эти магнитные поля направить в одну и ту же сторону, то они сложатся — и получится магнит.
У любого магнита есть два полюса — северный и южный.
Любое магнитное поле описывается магнитными линиями, которые выходят из северного поля и приходят в южный. Эти линии всегда замкнуты, даже если у них бесконечная длина. Вот так это выглядит:
Как запомнить, что выходят магнитные линии из северного полюса, а приходят в южный?
Все просто — на севере жить никто не хочет. Многие люди переезжают туда, где теплее, зимуют в теплых краях, в общем — стремятся на юг. Магнитные линии тоже.
Северный полюс обозначается латинской буквой N (от английского слова North). А южный — буквой S (от английского слова South).
Важный нюанс
Мы привыкли к тому, что на географическом севере находится северный магнитный полюс и на него указывает синяя стрелка компаса. Однако это не совсем так.
Из физики магнетизма нам известно, что силовые линии магнитного поля входят в южный полюс магнита, а выходят из северного. Если вы посмотрите на картину силовых линий магнитного поля Земли, то увидите, что они входят в Землю в районе северного географического полюса у канадских берегов Северного Ледовитого океана, а выходят в районе южного географического полюса в Антарктиде. Значит, с точки зрения физики у Земли на севере расположен южный магнитный полюс, а на юге — северный. Такие полюсы называются «истинными».
Магнитные линии постоянных магнитов
Однако, вопреки законам физики, люди договорились, что для простоты будут называть тот магнитный полюс, который находится на севере, северным, а тот магнитный полюс, что на юге, — южным. Такие магнитные полюсы Земли называются «мнимыми».
Немного из истории магнетизма
Исследование явления магнетизма началось много веков назад, когда еще в VI в. до н.э. в древнем Китае были обнаружен камни (горная порода), которые притягивали к себе железные предметы. В 1269 г. французский исследователь Петр Перегрин разместил на поверхности постоянного сферического магнита маленькие стальные иголки и увидел, что они расположились не хаотично, а по определенным линиям, которые пересекались в двух точках, названных “полюсами” по аналогии с географическими полюсами Земли. Можно сказать, что это была первая “визуализация” магнитных линий.
Только в 1845 г. английский физик Майкл Фарадей для понимания сути магнитных явлений сформулировал понятие “магнитного поля”. Он считал, что как электрическое, так и магнитное взаимодействия осуществляются посредством невидимых полей — электрического и магнитного. Магнитное поле непрерывно в пространстве и способно действовать на движущиеся заряды.
В 1831 г. Майкл Фарадей обнаружил, что переменное магнитное поле порождает электрическое и наоборот — непостоянное (изменяющееся во времени) электрическое поле создает магнитное поле. Это явление стало известно как закон электромагнитной индукции Фарадея. Слово индукция латинского происхождения (induction) означает “наведение, выведение”.
Основные признаки и свойства магнитных линий
Магнитное поле существует вокруг постоянных магнитов (полосовых, дугообразных или иной формы) и вокруг металлического провода, по которому течет электрический ток.
Магнитное поле изображается в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукция — это некая геометрическая кривая, в любой точке которой вектор (направление) магнитной индукции направлен по касательной к ней.
Можно выделить основные свойства магнитных линий:
- Магнитные линии непрерывны;
- Магнитные линии всегда замкнуты. Это означает, что в природе не существует отдельных магнитных зарядов по аналогии с электрическими зарядами. Исследователи долго пытались найти этот заряд с помощью уменьшения (дробления) размеров постоянных магнитов. Но даже самый микроскопический магнитик всегда имеет два полюса: северный и южный;
- Направление магнитных линий зависит от направления электрического тока;
- Густота (плотность) линий соответствует величине поля: чем гуще (плотнее) расположены линии, тем больше значение поля.
1 Магнитное поле. Магнитная индукция. Линии магнитной индукции. Графическое изображение магнитных полей. Поток вектора магнитной индукции. Теорема Остроцкого – Гаусса.
Магнитное поле — 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).
Магни́тная инду́кция 
—векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в данной точке пространства. Показывает, с какой силой 
магнитное поле действует назаряд 
, движущийся со скоростью
.
Линиями магнитной индукции (силовыми линиями магнитного поля) называются линии, проведенные в магнитном поле так, что в каждой точке поля касательная к линии магнитной индукции совпадает с направлением вектора В в этой точке поля.
Линии магнитной индукции проще всего наблюдать с помощью мелких
Игольчатых железных опилок, которые намагничиваются в исследуемом поле и ведут себя подобно маленьким магнитным стрелкам (свободная магнитная стрелка разворачивается в магнитном поле так, чтобы ось стрелки, соединяющая ее южный полюс с северным, совпадала с направлением В).
Вид линий магнитной индукции простейших магнитных полей показан
на рис. Из рис. б — г видно, что эти линии охватывают проводник с током, создающий поле. Вблизи проводника они лежат в плоскостях, перпендикулярных проводнику.
Направление линий индукции определяется поправилу буравчика: если ввинчивать буравчик по направлению вектора плотности тока в проводнике, то направление движения рукоятки буравчика укажет направление линий магнитной индукции.
Линии индукции магнитного поля
тока ни в каких точках не могут обрываться, т. е. ни начинаться, ни кончаться: они либо замкнуты (рис. б, в, г), либо бесконечно навиваются на некоторую поверхность, всюду плотно заполняя ее, но никогда не возвращаясь вторично в любую точку поверхности.
Теорема Гаусса для магнитной индукции
Поток вектора магнитной индукциичерез любую замкнутую поверхность равен нулю:
Это эквивалентно тому, что в природе не существует «магнитных зарядов» (монополей), которые создавали бы магнитное поле, как электрические заряды создают электрическое поле. Иными словами, теорема Гаусса для магнитной индукции показывает, что магнитное поле являетсявихревым.
2 Закон Био- Савара – Лапласа
Пусть постоянный ток 
течёт по контуру γ, находящемуся в вакууме,
— точка, в которой ищется поле, тогдаиндукциямагнитного поля в этой точке выражается интегралом (в системеСИ)
Направление 
перпендикулярно
и
, то есть перпендикулярно плоскости, в которой они лежат, и совпадает с касательной к линиимагнитной индукции. Это направление может быть найдено по правилу нахождения линий магнитной индукции (правилу правого винта): направление вращения головки винта дает направление
, если поступательное движение буравчика соответствует направлению тока в элементе. Модуль вектора
определяется выражением (в системеСИ)
Векторный потенциалдаётся интегралом (в системеСИ)
Закон Био — Савара — Лапласа может быть получен из уравнений Максвелладля стационарного поля. При этом производные по времени равны 0, так что уравнения для поля в вакууме примут вид (в системеСГС)
где —плотность токав пространстве. При этом электрическое и магнитное поля оказываются независимыми. Воспользуемся векторным потенциалом для магнитного поля (в системеСГС):
Калибровочная инвариантностьуравнений позволяет наложить на векторный потенциал одно дополнительное условие:
Раскрывая двойной роторпоформуле векторного анализа, получим для векторного потенциала уравнение типауравнения Пуассона:
Его частное решение даётся интегралом, аналогичным ньютонову потенциалу:
Тогда магнитное поле определяется интегралом (в системе СГС)
аналогичным по форме закону Био — Савара — Лапласа. Это соответствие можно сделать точным, если воспользоваться обобщёнными функциямии записать пространственную плотность тока, соответствующую витку с током в пустом пространстве.Переходяот интегрирования по всему пространству к повторному интегралу вдоль витка и по ортогональным ему плоскостям и учитывая, что
получим закон Био — Савара — Лапласа для поля витка с током.
Магнитные линии
Прямолинейные проводники, обладающие высокими показателями токопроводимости, имеют более плотные магнитные линии. Они распределяются по концентрическим окружностям, в центре которых располагается данный прямолинейный проводник.
Важно замечание. Чтобы определить направление линий магнитного поля, пользуются так называемым правилом буравчика. Оно гласит: если воображаемый буравчик расположить таким образом, что он будет ввинчиваться вдоль прямолинейного проводника под током, то траектория вращения рукояти буравчика совпадает с направлением магнитных линий.
Еще одной неотъемлемой характеристикой магнитного поля является однородность (неоднородность) распределения магнитных линий и самого поля. Эти составляющие, создаваемые одним и тем же током и при прочих равных условиях, обладают неоднозначной интенсивностью и направленностью в том или ином пространстве. Такая неоднородность зависит от движущихся магнитных свойств внутри вещества, где поле распространяется.
Магнитная специфика окружающего пространства характеризуются стабильной проницаемостью магнита. Ее принято измерять в генри на метр (г/м).
Таким образом, в числе свойств поля следует перечислить и такой показатель, как абсолютная магнитная проницаемость пустоты. Это – магнитная постоянная.
Под магнитной проницаемостью подразумевают определенное значение, показывающее, насколько часто показатель абсолютной магнитной проницаемости данного пространства или среды отличается от показателя постоянной, относительной проницаемости магнита.
Магнитным полем оказывается прямое воздействие на такие параметры, как:
- Изменяющиеся электрические заряды;
- Вещества, которые определяют показатели проницаемости магнитного поля;
- Постоянные магниты – подразумевающие наличие общего магнитного момента у всех заряженных частиц.
Внутри магнитного поля линии возникают, например, во время приближения постоянного или непостоянного магнита к рассыпанным на картонном листе железным опилкам. Этот опыт является классическим и позволяет наглядно продемонстрировать возникновение линий магнитной индукции внутри поля.
Лень читать?
Задай вопрос специалистам и получи ответ уже через 15 минут
Задать вопрос
Изменения магнитных свойств материалов
Во время усиления постоянства силы тока до полноценного насыщения в катушке с ферромагнитными элементами и последующим исчезновением силы, кривые намагничивания не могут совпадать с линиями размагничивания. Индукция, обладающая в данном случае нулевыми показателями напряженности, не имеет значения, но получает некий параметр, который физики назвали – остаточная магнитная индукция.
Явление ослабевания индукции внутри магнитного поля от намагничивающей интенсивности принято называть гистерезисом.
Чтобы полностью размагнитить проводник, внутри элементов сердечников требуется наличие тока с обратным направлением. В этом случае и возникнет элемент напряженности.
В случае с разными ферромагнитными частицами имеют значение отрезки с разной длиной. То значение, при котором наблюдается окончательное размагничивание того или иного материала, называется коэрцитивная сила.
Если продолжать увеличивать интенсивность действия тока внутри катушки, то и магнитная индукция будет увеличиваться – вплоть до уровня своего насыщения. Но – с совершенно иными направлениями линий магнитной индукции.
Во время полного размагничивания в противоположном направлении можно получить явление остаточной индукции, которое и используется для разработки постоянных магнитов из веществ, обладающих высокими коэффициентами так называемого остаточного магнетизма.
С помощью веществ, имеющих свойство перемагничивания, учеными создаются сердечники для электроприборов, машин и механизмов.
Не нашли ответ?
Просто напиши,с чем тебе нужна помощь
Мне нужна помощь
Электромагниты и их применение
Существование магнитного поля вокруг проводника с электрическим током широко используется в технике и промышленности. Часто используются устройства, называемые электромагнитами. Электромагнит состоит из катушки, сердечника и источника напряжения (см. рисунок 8).
Ферромагнитный сердечник электромагнита играет важную роль. Внутри него создаются магнитные поля, которые усиливают магнитное поле катушки.
Мелкие изделия из ферромагнитных материалов сильнее всего притягиваются полюсами электромагнита. Таким образом, можно сделать вывод, что магнитное поле вокруг электромагнита похоже на магнитное поле стержневого магнита.
Применение электромагнитов.
Электромагниты имеют различные применения. Например, на складах металлолома электромагнитные краны перемещают разбитые автомобили.
Также электромагниты используются в электрических замках. Когда электрический ток проходит через электромагнит, создается магнитное поле, которое сильно воздействует на металлическую (стальную) часть замка (ригеля). Это приводит к перемещению заслонки и открыванию двери. Когда дверь закрыта, соответствующим образом расположенная пружина перемещает ригель и блокирует замок. Замок можно открыть после повторного подключения электропитания.
Самые сильные электромагниты используются, в том числе, в ускорителях для управления движением частиц с высокой энергией. До недавнего времени магнитное поле, создаваемое токоведущими проводниками, управляло движением электронов в телевизионных кинескопах и компьютерных мониторах.
Возникновение поля
Для того, чтобы понять принцип действия магнитного поля, стоит для начала описать его возникновение. Указанное физическое явление возникает в ходе трансформации заряженных частиц и может воздействовать на движущиеся электрические заряды, в частности на токопроводящие элементы.
Начинай год правильно
Выигрывай призы на сумму 400 000 ₽
Взаимосвязь между магнитным полем и перемещающимися зарядами и проводниками, по которым систематически течет ток, происходит посредством сил, называемыми электромагнитными. Интенсивность или силовую специфику магнитного поля в конкретной пространственной точке можно более точно определить с помощью постоянной индукции, которая обозначается символом В.
Линии индукции помогают представить весь процесс и его особенности в графической форме, которая предоставит все нюансы этой системы. Таким определением называют определенные линии, касательные которых абсолютно в любой точке совпадают с направлением основного вектора в магнитном процессе. Названные пути входят в характеристику поля и используются для точного установления его интенсивности и направленности. Чем выше насыщенность магнитного поля, тем больше указанных линий будет включено в работу.
Магнитные линии
Магнитные линии у прямолинейных элементов с высокой проводимостью тока имеют форму плотной концентрической окружности, центр которой находится на оси определенного проводника.
Замечание 2
Направление этих показателей возле проводников можно определить по правилу буравчика, которое интерпретируется следующим образом: если буравчик расположить так, что он будет постоянно ввинчиваться в движущийся проводник по направлению тока, тогда курс обращения самой рукоятки будет совпадать с назначением магнитных линий.
Правильное определение неоднородности и однородности является главной характеристикой магнитного поля. Эти составляющие, которые создаются при равных условиях одним током, будут иметь неоднозначную направленность и интенсивность в различных пространствах из-за движущихся магнитных свойств в данных веществах. Магнитная специфик окружающей среды характеризуются стабильной проницаемостью магнитов и измеряется физиками в генри на метр (г/м). В свойства исследуемого поля также можно отнести абсолютную магнитная проницаемость пустоты, которая называется магнитной постоянной.
Определение 2
Магнитная проницаемость – это определенное значение, которое определяет, как часто абсолютная магнитная проницаемость пространства будет отличаться от постоянной, относительной проницаемостью магнитов.
Магнитное поле оказывает непосредственное влияние на:
- изменяющиеся электрические заряды;
- вещества, посредством которых определяют проницаемость поля;
- постоянные магниты – подразумевающие общий магнитный момент всех заряженных частиц.
В магнитном процессе силовые линии возникают при сближении стабильного магнита к бумажному листу, на который необходимо насыпать слой железных опилок.
Что такое магнитные линии
42. Магнитное поле и его графическое изображение
1. Чем порождается магнитное поле?
Магнитное поле порождается электрическим током.
Магнитное поле существует и вокруг металлического проводника с током.
При этом ток создается электронами, направленно движущимися вдоль проводника.
Магнитное поле возникает и в том случае, когда ток проходит через раствор электролита, где носителями зарядов являются положительно и отрицательно заряженные ионы, движущиеся навстречу друг другу.
Поскольку электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, то можно сказать, что магнитное поле создается движущимися заряженными частицами, как положительными, так и отрицательными.
2. Чем создается магнитное поле постоянного магнита?
Согласно гипотезе Ампера в атомах и молекулах вещества в результате движения электронов возникают элементарные кольцевые токи.
В магнитах эти элементарные кольцевые токи ориентированы одинаково.
Магнитные поля, образующиеся вокруг каждого такого тока, имеют одинаковые направления.
Эти поля усиливают друг друга, создавая поле внутри и вокруг магнита.
3. Что такое магнитные линии?
Для наглядного представления магнитного поля пользуются магнитными линиями (иначе линиями магнитного поля).
Магнитные линии — это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле.
Магнитную линию можно провести через любую точку пространства, в котором существует магнитное поле.
Магнитные линии являются замкнутыми.
Картина магнитных линий прямого проводника с током представляет собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику.
4. Как располагаются магнитные стрелки в магнитном поле, линии которого прямолинейны? криволинейны?
Магнитная линия (как прямолинейная, так и криволинейная) проводится так, чтобы в любой точке этой линии касательная к ней совпадала с осью магнитной стрелки, помещенной в эту точку.
5. Что принимают за направление магнитной линии в какой-либо ее точке?
За направление магнитной линии в какой-либо ее точке условно принимают направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещенной в эту точку.
6. Как с помощью магнитных линий можно показать, что в одной области пространства поле сильнее, чем в другой?
В тех областях пространства, где магнитное поле более сильное, магнитные линии изображают ближе друг к другу, т. е. гуще, чем в тех местах, где поле слабее.
7. О чем можно судить по картине линий магнитного поля?
По картине магнитных линии можно судить не только о направлении, но и о величине магнитного поля, т. е. о том, в каких точках пространства поле действует на магнитную стрелку с большей силой, а в каких — с меньшей.
Назад в «Оглавление» — смотреть
