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».
Что произойдет при смене магнитных полюсов
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».
Открытие магнитного поля
Первые научные сведения о магнитных явлениях появились благодаря опытам датского физика Ганса Христиана Эрстеда в 1820 году. Он обнаружил, что проводник с током воздействует на магнитную стрелку. Эрстед провёл простой, но гениальный по своей сути эксперимент — подвесил магнитную стрелку рядом с проводником и замкнул цепь. К удивлению учёного, стрелка резко отклонилась от проводника.
Это наблюдение положило начало современному представлению о том, что электрический ток порождает вокруг себя магнитное поле. Затем французский физик Андре-Мари Ампер вывел математическую зависимость между силой взаимодействия токов и расстоянием между проводниками.
Огромный вклад в понимание природы магнетизма внёс английский учёный Майкл Фарадей. В 1831 году он открыл явление электромагнитной индукции — возникновение электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного поля. Это был первый шаг на пути практического использования магнитных явлений.
Великий Джеймс Кларк Максвелл в 1860-х годах сумел математически описать все электромагнитные явления с помощью системы уравнений. Он показал, что свет представляет собой электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью 300 000 км/с.
Лишь за какие-то полвека учёные с нуля открыли явление магнетизма, изучили его свойства и даже научились практически применять. Сегодня это фундаментальное физическое явление лежит в основе современной цивилизации.
Источники и характеристики магнитного поля
Источники магнитного поля могут быть самыми разными — от отдельных движущихся зарядов до огромных постоянных магнитов.
В основе любого магнитного поля лежит движение электрических зарядов. Это может быть упорядоченное движение электронов в проводнике с током или хаотичное движение электронов в постоянном магните. Даже один ускоренно движущийся электрон создаст вокруг себя магнитное поле!
Чтобы описать свойства поля, используют такие величины как магнитная индукция В, напряженность Н и магнитный поток Ф. Индукция В показывает силу воздействия на движущиеся заряды. Напряженность Н связана с источником поля. А магнитный поток Ф характеризует совокупное поле в данном объёме.
Практически любой источник движущихся зарядов можно использовать для создания магнитного поля. Это могут быть катушки с током, постоянные магниты, даже ускорители элементарных частиц. Главное — подобрать нужную конфигурацию, чтобы получить требуемые характеристики поля.
Магнитное поле может быть создано различными источниками. Основные из них:
- Электрический ток в проводнике. Согласно опытам Эрстеда и Ампера, вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Это явление объясняется тем, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов (электронов). Движущиеся заряды и создают магнитное поле.
- Движущийся электрический заряд. Согласно опытам Роуланда, отдельный движущийся заряд также порождает магнитное поле вокруг себя. Это свойство зарядов объясняется наличием у них магнитного момента, обусловленного внутренним вращением заряда — спином.
- Постоянные магниты. Вещества, обладающие собственным устойчивым магнитным полем, называются постоянными магнитами. Поле постоянных магнитов создается благодаря упорядоченному движению электронов в атомах вещества.
Основными характеристиками магнитного поля являются:
- Магнитная индукция B — векторная величина, определяющая силовое действие магнитного поля на движущиеся заряды. Единица измерения — тесла (Тл).
- Напряженность магнитного поля H — вектор, характеризующий источник магнитного поля. Связан с индукцией соотношением B=μH, где μ — магнитная проницаемость среды.
- Магнитный поток Ф — скалярная величина, равная интегралу от индукции по замкнутой поверхности. Измеряется в веберах (Вб).
Зная значения этих величин, можно определить силу и направление действия магнитного поля в каждой точке пространства.
Основными источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды — как в электрических токах, так и в постоянных магнитах. Для описания свойств магнитного поля используются такие характеристики, как индукция, напряженность и магнитный поток.
Взаимодействие магнитных полей с другими физическими явлениями
Магнитные поля взаимодействуют с другими физическими явлениями и играют важную роль в различных областях науки и техники.
Электромагнитная индукция и закон Фарадея
Одно из важных взаимодействий магнитных полей – это электромагнитная индукция. Когда магнитное поле меняется во времени, оно создает электрическое поле, которое в свою очередь вызывает электрический ток в проводнике. Это явление называется электромагнитной индукцией.
Закон Фарадея описывает взаимосвязь между изменением магнитного поля и индуцированным электрическим током. Согласно этому закону, индуцированная ЭДС (электродвижущая сила) в проводнике пропорциональна скорости изменения магнитного поля.
Магниторезистивность и ее применение в технике
Магниторезистивность – это явление изменения электрического сопротивления материала под воздействием магнитного поля. Некоторые материалы, называемые магниторезисторами, обладают этим свойством.
Магниторезистивные эффекты широко используются в технике, включая магнитные датчики, жесткие диски и магнитные полосы для чтения информации.
Магнитные поля и здоровье человека
Вопрос о влиянии магнитных полей на здоровье человека вызывает большой интерес и исследования в этой области продолжаются. Некоторые исследования показывают, что сильные магнитные поля могут оказывать влияние на нервную систему и вызывать различные физиологические эффекты.
Однако, на данный момент нет однозначных доказательств о вреде или пользе магнитных полей на здоровье человека. Большинство магнитных полей, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, являются слабыми и не представляют опасности для здоровья.
Технические применения магнитных полей
Магнитные поля имеют широкий спектр технических применений и играют важную роль в различных областях науки и техники.
Электромагниты и их использование в устройствах
Электромагниты – это устройства, создающие магнитное поле при прохождении электрического тока через проводник, обмотку или катушку. Они широко используются в различных устройствах, включая электромагнитные клапаны, реле, электромагнитные замки и даже в электромагнитных подъемниках.
Магнитные носители информации
Магнитные поля также используются для записи и хранения информации. Магнитные носители, такие как жесткие диски и магнитные ленты, используются для хранения данных в компьютерах и других электронных устройствах. Магнитные поля позволяют записывать и считывать информацию на этих носителях.
Медицинская диагностика на основе магнитного резонанса
Магнитное поле играет ключевую роль в медицинской диагностике, основанной на магнитном резонансе (МРТ). МРТ использует сильные магнитные поля и радиоволны для создания детальных изображений внутренних органов и тканей человека. Это позволяет врачам обнаруживать и диагностировать различные заболевания и состояния.
В заключение, магнитные поля имеют широкий спектр технических применений, от электромагнитов и магнитных носителей информации до медицинской диагностики на основе магнитного резонанса. Изучение и применение магнитных полей продолжает развиваться, и мы можем ожидать новых открытий и применений в будущем.
