Как обнаруживается магнитное поле

Статья рассказывает о магнитном поле, его свойствах, методах обнаружения и измерения, а также практическом применении данной темы в различных областях.

Магнитное поле: его сущность и способы обнаружения обновлено: 30 августа, 2023 автором: Научные Статьи.Ру

Помощь в написании работы

В данной лекции мы будем изучать магнитное поле и его свойства. Магнитное поле является одним из фундаментальных понятий в физике и имеет широкое применение в различных областях науки и техники. Мы рассмотрим, что такое магнитное поле, как его обнаружить и измерить, а также рассмотрим некоторые практические применения обнаружения магнитного поля. Приступим к изучению этой увлекательной темы!

Нужна помощь в написании работы?

Написание учебной работы за 1 день от 100 рублей. Посмотрите отзывы наших клиентов и узнайте стоимость вашей работы.

Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток. Правило левой руки

Магнитное поле, как мы выяснили, — это особый вид материи, существующей независимо от нашего сознания. Магнитное поле можно изобразить с помощью линий магнитного поля. А можно ли обнаружить магнитное поле?

Соберём электрическую цепь. Пока ключ не замкнут, с проводником ничего не происходит. Если замкнуть ключ, проводник начнёт двигаться внутрь магнита. Если поменять полюсы источника тока, проводник будет двигаться в противоположную сторону.

Магнитное поле 2 (1).png

Рис. (1). Проводник без тока в магнитном поле

Магнитное поле 1 (1).png

Рис. (2). Проводник с током в магнитном поле

Опыт демонстрирует воздействие магнитного поля на часть проводника, помещённого в поле подковообразного магнита.

При отсутствии электрического тока в проводнике он висит неподвижно. Магнитное поле не воздействует на проводник.

При замыкании ключа ток идёт от положительного полюса источника напряжения по красному проводу к проводнику. Поле постоянного магнита притягивает проводник. Проводник изменил своё положение.

Магнитное поле обнаруживается по его воздействию на проводник с током.

Движение проводника вызвано действием на него магнитного поля со стороны дугового магнита. Если поменять местами полюсы магнита, проводник изменит направление движения на противоположное.

Экспериментальные факты по обнаружению магнитного поля являются основанием для формулировки зависимости между физическими величинами, которые являются характеристиками электрического и магнитного полей.

Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток | Физика 9 класс #36 | Инфоурок

На проводник с током, находящимся в магнитном поле, действует сила Ампера, направление которой определяется правилом левой руки.

Правило левой руки для проводника с током

Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь перпендикулярно ей, а четыре пальца указывали направление тока, то отставленный большой палец покажет направление действующей на проводник силы Ампера.

Магнитное поле 6 (1).png

Рис. (3). Правило левой руки

На направление тока указывает направление движения положительно заряженных частиц. На заряженные частицы, движущиеся в магнитном поле, действует сила Лоренца. Направление силы Лоренца также определяется по правилу левой руки.

Правило левой руки для заряженной частицы, движущейся в магнитном поле
Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно ей, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной частицы), то отставленный большой палец покажет направление действующей на проводник силы.

Если заряженная частица движется вдоль линии магнитного поля, то сила со стороны магнитного поля не действует.

§ 36. Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток. Правило левой руки

Из курса физики 8 класса вы знаете, что на всякий проводник с током, помещённый в магнитное поле и не совпадающий с его магнитными линиями, это поле действует с некоторой силой.

Наличие такой силы можно показать с помощью установки, изображённой на рисунке 101. Трёхсторонняя рамка ABCD, изготовленная из медной проволоки, подвешена на крюках так, что может свободно отклоняться от вертикали.

Сторона ВС находится в области наиболее сильного магнитного поля дугообразного магнита, располагаясь между его полюсами (рис. 101, а). Рамка присоединена к источнику тока последовательно с реостатом и ключом.

Действие магнитного поля на проводник с током

Рис. 101. Действие магнитного поля на проводник с током

При замыкании ключа в цепи возникает электрический ток, и сторона ВС втягивается в пространство между полюсами (рис. 101, б).

Если убрать магнит, то при замыкании цепи проводник ВС двигаться не будет. Значит, со стороны магнитного поля на проводник с током действует некоторая сила, отклоняющая его от первоначального положения.

Действие магнитного поля на проводник с током может быть использовано для обнаружения магнитного поля в данной области пространства.

Конечно, обнаружить магнитное поле проще с помощью компаса. Но действие магнитного поля на находящуюся в нём магнитную стрелку компаса, по существу, тоже сводится к действию поля на элементарные электрические токи, циркулирующие в молекулах и атомах магнитного вещества, из которого изготовлена стрелка.

Таким образом, магнитное поле создаётся электрическим током и обнаруживается по его действию на электрический ток.

Изменим направление тока в цепи, поменяв местами провода в гнёздах изолирующей штанги (рис. 102). При этом изменится и направление движения проводника ВС, а значит, и направление действующей на него силы.

Направление силы, действующей в магнитном поле на проводник с током, зависит от направления тока

Рис. 102. Направление силы, действующей в магнитном поле на проводник с током, зависит от направления тока

Направление силы изменится и в том случае, если, не меняя направления тока, поменять местами полюсы магнита (т. е. изменить направление линий магнитного поля). Следовательно, направление тока в проводнике, направление линий магнитного поля и направление силы, действующей на проводник, связаны между собой.

Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, можно определить, пользуясь правилом левой руки.

В наиболее простом случае, когда проводник расположен в плоскости, перпендикулярной линиям магнитного поля, это правило заключается в следующем: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по току, то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на проводник силы (рис. 103).

Применение правила левой руки к проводнику с током

Рис. 103. Применение правила левой руки к проводнику с током

Пользуясь правилом левой руки, следует помнить, что за направление тока в электрической цепи принимается направление от положительного полюса источника тока к отрицательному. Другими словами, четыре пальца левой руки должны быть направлены против движения электронов в электрической цепи. В таких проводящих средах, как растворы электролитов, где электрический ток создаётся движением зарядов обоих знаков, направление тока, а значит, и направление четырёх пальцев левой руки совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.

С помощью правила левой руки можно определить направление силы, с которой магнитное поле действует на отдельно взятые движущиеся в нём частицы, как положительно, так и отрицательно заряженные.

Для наиболее простого случая, когда частица движется в плоскости, перпендикулярной магнитным линиям, это правило формулируется следующим образом: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной), то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на частицу силы (рис. 104).

Применение правила левой руки к заряженным частицам, движущимся в магнитном поле

Рис. 104. Применение правила левой руки к заряженным частицам, движущимся в магнитном поле

По правилу левой руки можно также определить направление тока (если знаем, как направлены линии магнитного поля и действующая на проводник сила), направление магнитных линий (если известны направления тока и силы), знак заряда движущейся частицы (по направлению магнитных линий, силы и скорости движения частицы) и т. д.

Следует отметить, что сила действия магнитного поля на проводник с током или движущуюся заряженную частицу равна нулю, если направление тока в проводнике или скорость частицы совпадают с линией магнитной индукции или параллельны ей (рис. 105).

Магнитное поле

Рис. 105. Магнитное поле не действует в случаях, если прямолинейный проводник с током или скорость движущейся заряженной частицы параллельны линиям магнитного поля или совпадают с ними

Вопросы

  1. Какой опыт позволяет обнаружить наличие силы, действующей на проводник с током в магнитном поле?
  2. Как обнаруживается магнитное поле?
  3. От чего зависит направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле?
  4. Сформулируйте правило левой руки для находящегося в магнитном поле проводника с током; для движущейся в этом поле заряженной частицы.
  5. Что можно определить, пользуясь правилом левой руки?
  6. В каком случае сила действия магнитного поля на проводник с током или движущуюся заряженную частицу равна нулю?
  1. В какую сторону покатится лёгкая алюминиевая трубочка при замыкании цепи (рис. 106)?

Как обнаруживается магнитное поле

Плотников А.А. 1
1 МБОУ «СОШ №91 им. Надежды Курченко»
Семакина Т.В. 1
1 МБОУ «СОШ №91 им. Надежды Курченко»

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Природа вокруг нас удивительна и многогранна. Многие ученые пытаются разгадать ее тайны, некоторые из них уже открыты, другие до сих пор изучаются. Недавно мне подарили большую книгу экспериментов, в которой я нашел большой раздел про магнитные поля. Мне захотелось подробнее изучить, что это такое, какова их роль в нашей жизни и как их определить самостоятельно.

К тому же в интернете, на радио и телевидении очень часто говорят об огромном влиянии и роли магнитных полей в нашей жизни, поэтому я решил, что эта тема актуальна и захотел ее подробно изучить.

Существует множество источников, благодаря которым можно узнать много интересного о магнитных полях, в большинстве случаев это статьи в интернете. Много полезной информации я нашел в «Большой книге экспериментов» под ред. Антонеллы Мейяни.

Цель моей работы: узнать, что такое магнитные поля и научиться определять их самостоятельно.

Задачи моей работы:

— узнать, что такое магнитные поля;

— изучить историю открытия магнитных полей;

— изучить роль магнитных полей в нашей жизни;

— научится определять магнитные поля в домашних условиях.

Методы работы:

1. Просмотр книг на интересующую тему.

2.Обратиться к компьютеру, посмотреть в глобальной компьютерной сети Интернет.

3.Провести несколько экспериментов и сделать выводы.

История появления магнита

Первые залежи магнетита были обнаружены на территории современной Греции, в области Магнисия. Так и получилось название «магнит»: сокращение от «камень из Магнисии». Кстати, сама область называется по племени магнетов, а те, в свои очередь, берут своё имя у мифического героя Магнета, сына бога Зевса и Фии.

Существует легенда о пастухе по имени Магнус. Рассказывали, что он странствовал со своими овцами и вдруг обнаружил, что железный наконечник его посоха и гвозди в его башмаках прилипают к странному чёрному камню. Так был открыт магнит.

Использовать магнит как указатель сторон света догадались в Китае, но никто не проводил теоретических исследований на эту тему.

А вот научные труды европейских средневековых учёных не обошли магнит стороной. В 1260 году Марко Поло привёз магнит из Китая в Европу, с тех пор его стали тщательно изучать. Пётр Перегрин в 1296 году издал «Книгу о магните», где было описано такое свойство магнита, как полярность. Пётр установил, что полюса магнита могут притягиваться и отталкиваться.

В 1300 году Иоанн Жира создал первый компас, облегчив жизнь путешественникам и мореплавателям. Впрочем, за честь считаться изобретателям компаса борется несколько учёных. Например, итальянцы уверены, что первым изобрёл компас их соотечественник Флавио Джойя.

В 1600 труд «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле. Новая физиология, доказанная множеством аргументов и опытов» английского врача Уильяма Гильберта расширил границы знаний об этом предмете. Стало известно, что нагревание способно ослабить магнит, а железная арматура может усилить полюса. Так же оказалось, что сама Земля является огромным магнитом.

В 1701 астроном Э.Галлей опубликовал свои труды по изучению геомагнитных полей. Вскоре была доказана связь между полярным сиянием и магнитными бурями.

Оказывается, бывают дни, когда стрелка компаса перестаёт указывать на север, а начинает беспорядочно кружиться. Это может продолжаться несколько часов или даже несколько суток. Поскольку первыми данный феномен обнаружили моряки, то и назвали явление – магнитной бурей.

Магнитное поле: что это такое и каковы его свойства

М агнитное поле — это результат действия магнита в пространстве, которое его окружает и где он проявляет своё действие. У магнитов есть два полюса: северный (отрицательный) и южный (положительный).

Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле (см. рис 1).

Рисунок 1

Концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.

Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии замкнуты и непрерывны (см. рис 2).

Рисунок 2: магнитные силовые линии

Рисунок 3: взаимодействие разноименных магнитных полей

Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов (см. рис 3).

Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание (см. рис 4).

Рисунок 4: взаимодействие одноименных полюсов магнита

Важные свойства магнитных силовых линий:

  • Магнитные линии не поддаются гравитации.
  • Никогда не пересекаются между собой.
  • Всегда образуют замкнутые петли.
  • Имеют определенное направление с севера на юг.
  • Чем больше концентрация силовых линий, тем сильнее магнитное поле.
  • Слабая концентрация силовых линий указывает на слабое магнитное поле.
  • Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.

Роль магнитного поля в нашей жизни

Самый большой магнит — это наша планета Земля. Магнитное поле, окружающее Землю, играет очень важную роль. Оно хранит нас от губительной радиации, управляет погодой, жизнедеятельностью населяющих ее организмов. Магнитное поле защищает поверхность Земли от солнечного ветра и вредного космического излучения. Оно работает как своеобразный щит — без его существования атмосфера была бы разрушена.

Все, что находится на Земле, в том числе люди, животные и растения, подвергаются воздействию невидимых силовых линий этого поля. Но, в то же время, в теле человека имеется свое магнитное поле, возникающее вследствие протекания крови по сосудам. В разных органах оно может быть различно. В здоровом организме и в нормальных условиях имеется полное соответствие и взаимодействие внешнего и внутреннего магнитного полей.

Магнетизм столь же необходим всему живому, как вода, воздух, пища или солнечный свет. Свое воздействие на земной магнетизм оказывает Солнце.

Магнитное поле играет очень большую роль в электротехнике и электронике. Магнитные поля играют важную роль в медицине. Они используются в магнитно-резонансной томографии (МРТ), которая является одним из самых точных методов диагностики заболеваний. МРТ создает изображения мягких тканей, органов и костей с помощью магнитных полей и радиоволн. Этот метод неинвазивен и безопасен для пациента.

Также магнитные поля используются при лечении некоторых заболеваний, например, болезни Паркинсона. Исследования показывают, что магнитные поля могут помочь уменьшить симптомы болезни и улучшить качество жизни пациентов.

Практическая часть

Методы определения магнитных полей

Определить магнитные поля можно при помощи выполнения несложных экспериментов

В первом эксперименте я решил определить силовые линии магнита, которые формируют магнитное поле. Для проведения эксперимента понадобится: два листа белого картона, металлическая крошка и магнит двух форм (в виде подковы и прямоугольника) (см. рис 5).

Ход эксперимента: на два листа картона высыпаем небольшое количество металлической крошки, затем под один из листов подкладываем магнит подковообразной формы, под другой прямоугольный. Необходимо немного потрясти лист картона (см рис 6).

Вывод: на обоих листах мы наблюдаем, что крошка выстраивается вокруг магнитов в виде линий – это и есть силовые линии магнита, которые образуют магнитное поле. На полюсах магнитов скапливается большее количество крошки, следовательно, в этой области магнитная сила больше всего.

ля проведения второго эксперимента нам понадобится бутыль с маслом, металлическая крошка и магниты (обычный и неодимовый) (см. рис 7).

В бутыль с маслом всыпаем металлический порошок и встряхиваем. Металлическая крошка равномерно распределяется внутри бутылки (см. рис 8).

Затем к стенке бутылки подносим магниты (обычный и неодимовый) (см. рис 9).

Вывод: металлическая стружка притягивается к магнитам в определённом порядке, по силовым линиям, который составляют магнитное поле. Неодимовый магнит обладает большей силой, поэтому притянул большее количество металлического порошка и держится самостоятельно.

Земля – это большой магнит и все свободные магниты выстраиваются по его магнитным линиям. Это и позволяет стрелке компаса всегда правильно указывать направление север-юг. В ходе третьего эксперимента мы попытаемся определить магнитное поле Земли. Для этого нам понадобиться чаша с водой, небольшая пластиковая емкость, прямоугольный магнит, маркер, компас (для подтверждения результатов) (см. рис 10).

Рисунок 1 0

Аккуратно помещаем пластиковую емкость с магнитом в чашу с водой. Ждем когда магнит перестанет крутиться и отмечаем на чаше маркером области, которые совпадают с полюсами магнита (см. рис 11).

Попробуем раскрутить емкость с магнитом, при этом он все равно вернется к поставленным ранее отметкам. Проверим, совпадают ли указанные точки с показателями компаса (см. рис 12).

Вывод: Земля ведет себя как большой магнит и ориентирует по линиям своего поля любой свободно движущийся магнит.

В ходе изучения темы магнитных полей, я понял, что они имеют большое значение в нашей жизни. Магнитное поле, окружающее Землю, играет очень важную роль. Оно хранит нас от губительной радиации, управляет погодой, жизнедеятельностью населяющих ее организмов. Ученые всего мира ведут наблюдения за магнитным полем Земли. Им стало известно, что в последнее время магнитное поле начинает существенно меняться.

Понимание происходящих процессов очень важно для всего живого на Земле, а значит и для всего человечества.

Магнитные поля играют важную роль в науке и медицине, помогая в диагностике и лечении заболеваний, а также в исследовании фундаментальных законов природы и понимании мира вокруг нас.

Цель моей работы достигнута, задачи решены. Сначала я думал, что магнитное поле — это сложный феномен, который невозможно определить самостоятельно. Но благодаря проведению несложных опытов, я убедился, что магнитные поля можно обнаружить. А магнитное поле земли каждый может определить при помощи компаса.

Мое исследование имеет прикладной характер. Его результаты могут быть использованы в урочной и внеурочной деятельности при изучении физики. А я в дальнейшем хочу глубже изучить тему магнетизма и сферы ее применения.

Список использованной литературы

4. Большая книга экспериментов для школьников. Энциклопедия для детей | Мейяни Антонелла

Магнитное поле. Действие магнитного поля на электрический заряд и опыты, иллюстрирующие это действие. Магнитная индукция

Если неподвижные электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле, то движущиеся заряды создают, кроме того, магнитное поле.

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Свойства магнитного поля:

1. магнитное поле действует только на подвижные заряды с определенной силой;

Магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами).

Магнитное поле существует реально, независимо от нас, от наших знаний о нем.

магнитная стрелка в магнитном полемагнитная стрелка в магнитном полемагнитная стрелка в магнитном поле

Нам известно, как ведет себя магнитная стрелка в магнитном поле, поворачиваясь в нем определенным образом. Магнитное поле ориентирует магнитную стрелку вдоль направления вектора магнитной индукции. За направление вектора магнитной индукции принимают направление, которое показывает северный полюс N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле.

правило буравчика

Направление вектора магнитной индукции устанавливают с помощью правила буравчика : если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика указывает направление вектора магнитной индукции.

Определить направление вектора индукции магнитного поля Земли, к примеру, можно компасом, когда ориентируемся на местности. Магнитное поле не имеет источников.

Магнитное поле графически изображается в виде линий магнитной индукции. Линии магнитной индукции называются линии, касательные к которым в любой их точке совпадают с вектором В, в данной точке поля.

Вокруг проводника с током существует магнитное поле, и оно порождается переменным электрическим полем движущихся заряженных частиц в проводнике. Магнитное поле является силовым полем. Си­ловой характеристикой магнитного поля называют магнитную индукцию (В).

Рассчитать магнитную индукцию можно по формуле: где F- сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током ( H ); I — сила тока в проводнике ( A ); l — длина проводника ( м ). Единица измерения индукции магнитного поля в СИ: [ B ] = 1Тл ( тесла).

Магнитное поле является вихревым полем. Линии магнитной индукции прямого провода с током представляют со­бой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику.

Опыт Эрстэда. Магнитное поле тока

В начале XIX в. датский ученый Эрстэд сделал важное открытие, обнаружив действие электрического тока на постоянные магниты. Он поместил длинный провод вблизи магнитной стрелки. При пропускании по проводу тока стрелка поворачивалась, стремясь расположиться перпендикулярно ему ( рис. 4 ). Это можно было объяснить возникновением вокруг проводника магнитного поля.

Магнитные силовые линии поля, созданного прямым проводником с током, представляют собой концентрические окружности, расположенные в перпендикулярной к нему плоскости, с центрами в точке, через которую проходит ток ( рис. 5 ). Направление линий определяется правилом правого винта:

Если винт вращать по направлению линий поля, он будет двигаться в направлении тока в проводнике .

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B. В каждой точке он направлен по касательной к линии поля. Линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных, а сила, действующая в этом поле на заряд, направлена по касательной к линии в каждой ее точке. В отличие от электрического, линии магнитного поля замкнуты, что связано с отсутствием в природе «магнитных зарядов».

Магнитное поле тока принципиально ничем не отличается от поля, созданного постоянным магнитом. В этом смысле аналогом плоского магнита является длинный соленоид — катушка из провода, длина которой значительно больше ее диаметра. Схема линий созданного им магнитного поля, изображенная на рис. 6 , аналогична таковой для плоского магнита ( рис. 3 ). Кружочками обозначены сечения провода, образующего обмотку соленоида. Токи, текущие по проводу от наблюдателя, обозначены крестиками, а токи противоположного направления — к наблюдателю — обозначены точками. Такие же обозначения приняты и для линий магнитного поля, когда они перпендикулярны плоскости чертежа ( рис. 7 а, б).

Направление тока в обмотке соленоида и направление линий магнитного поля внутри него также связаны правилом правого винта, которое в этом случае формулируется так:

Если смотреть вдоль оси соленоида, то текущий по направлению часовой стрелки ток создает в нем магнитное поле, направление которого совпадает с направлением движения правого винта ( рис. 8 )

Исходя из этого правила, легко сообразить, что у соленоида, изображенного на рис. 6 , северным полюсом служит правый его конец, а южным — левый.

Магнитное поле внутри соленоида является однородным — вектор магнитной индукции имеет там постоянное значение (B = const). В этом отношении соленоид подобен плоскому конденсатору, внутри которого создается однородное электрическое поле.

Сила, действующая в магнитном поле на проводник с током

Опытным путем было установлено, что на проводник с током в магнитном поле действует сила. В однородном поле прямолинейный проводник длиной l, по которому течет ток I, расположенный перпендикулярно вектору поля B, испытывает действие силы: F = I l B.

Направление силы определяется правилом левой руки:

Если четыре вытянутых пальца левой руки расположить по направлению тока в проводнике, а ладонь — перпендикулярно вектору B, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник ( рис. 9 ).

Следует отметить, что сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, направлена не по касательной к его силовым линиям, подобно электрической силе, а перпендикулярна им. На проводник, расположенный вдоль силовых линий, магнитная сила не действует.

Уравнение F = IlB позволяет дать количественную характеристику индукции магнитного поля.

Отношение не зависит от свойств проводника и характеризует само магнитное поле.

Модуль вектора магнитной индукции B численно равен силе, действующей на расположенный перпендикулярно к нему проводник единичной длины, по которому течет ток силой один ампер.

В системе СИ единицей индукции магнитного поля служит тесла (Тл):

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.

Опыт Ганса Христиана Эрстеда с магнитной стрелкой.

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.

Определение и формула магнитного потока.

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.

Действие магнитного поля на токи

Эксперименты, показывающие действие магнитного поля на движущиеся заряды, обычно проводят не с отдельными частицами, а с их потоками.

Пусть ток создают движущиеся одинаковые частицы с зарядом $q$. Тогда плотность этого тока выразим как:

Сила, которая действует в магнитном поле на элемент объема ($dV), равна:dV), равна:

$dvec=nqleft( vectimes vec right)dV=(vectimesvec)dVleft( 8 right)$,

где $N=ndV$ — число частиц в объеме $dV$.

Если ток течет по очень тонкому проводу, площадь сечения которого равна $S$, длина его $dl$ (малая длина), тогда сила, действующая на него в магнитном поле равна:

$dvec=Ileft( dvectimes vec right)left( 9 right)$.

где $vec jdV=I dvec j$. Направление вектора $ dvec j$ — совпадает с направлением силы тока.

Выражение (9) называется законом Ампера, а сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера.

Так, обнаружить магнитное поле можно по его воздействию силой Ампера на проводник с током.

Для тока, текущего в прямом проводнике, находящегося в однородном магнитном: поле, силу Ампера можно определить как:

где $l$ — длина прямого проводника.

Модуль силы Ампера из (10) равен:

Вектор силы Ампера перпендикулярен плоскости, в которой лежат $vec l$ и $vec B$ и направлен по правилу правого винта.

Магнитное поле, которое создается проводником с током можно обнаружить по его действию на другой проводник с током. Если токи в проводниках направлены в одну сторону, то проводники притягиваются. Будем считать, что наши проводники параллельны, и находятся в вакууме, тогда силы притяжения равны:

где R – расстояние между проводниками, $dF$ — сила с которой один проводник действует на элемент ($dl$) другого проводника.

Если токи в проводниках направлены в противоположные стороны, тогда они отталкиваются.

Воздействие токов на магниты

Магниты оказывают действие на электрические токи. В свою очередь токи воздействуют на магниты.

Рассмотрим эксперимент, который проводил Эрстед. Ученый разместил над магнитной стрелкой прямой провод (рис.1) параллельно плоскости стрелки. Стал пропускать ток по проводнику. При этом стрелка, способная вращаться около вертикальной оси, отклонялась и устанавливалась нормально к проводнику. Эрстед изменял направление течения тока, стрелка поворачивалась на 180 °. Тот же эффект возникал, когда проводник переносили под стрелку. Опыт Эрстеда показал связь между электрическими и магнитными явлениями.

Рисунок 1. Эксперимент Эрстеда. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий