Магнитное поле как возникает

Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.

Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.

За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.

В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.

Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.

Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.

Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.

Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.

Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.

Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.

Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.

Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:

Как появились магнитные поля во Вселенной?

Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).

Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.

А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.

Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.

Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.

Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:

При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.

Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.

Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.

Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.

А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.

Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.

Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».

Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.

И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.

Ваш браузер не поддерживается

Интернет-сервис Студворк построен на передовых, современных технологиях и не может гарантировать полную поддержку текущего браузера.

Chrome

Установить новый браузер

    Google Chrome

Yandex browser

Скачать
Яндекс Браузер

Opera

Скачать
Opera

Firefox

Скачать
Firefox

Edge

Скачать
Microsoft Edge

Нажимая на эту кнопку, вы соглашаетесь с тем, что сайт в вашем браузере может отображаться некорректно. Связаться с техподдержкой

Работаем по будням с 8.00 до 18.00 по МСК

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 .

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

Изменения магнитных свойств материалов

При увеличении постоянства силы тока до полноценного насыщения в катушке с ферромагнитным элементами и последующим ее исчезновением, кривая намагничивания не может совпадать с линией размагничивания. С нулевой, невидимой напряженностью индукция в такой среде не будет иметь значение, а получит некий показатель, именуемый в физике остаточной магнитной индукцией.

Ситуацию с уменьшением индукции в магнитном поле от намагничивающей интенсивности физики называют гистерезисом. Для полного размагничивания процесса в элементах сердечника необходимо предоставить обратной направленности ток, с помощью которого появится элемент напряженности. Для разных ферромагнитных частиц важен отрезок различной длины. Значение, при котором будет осуществляться конечное размагничивание материала, именуется коэрцитивной силой.

При дальнейшем повышении действия тока в катушке магнитная индукция начинает увеличиваться до уровня насыщения, однако с абсолютно другими направлениям линий. При полном размагничивании в противоположном направлении возможно получить остаточную индукцию, которая используется при разработке постоянных магнитов из элементов с большим коэффициентом остаточного магнетизма. С помощью имеющих способность к перемагничиванию веществ ученые создают создаются сердечники для электрических приборов и машин.

Свойства магнитного поля

Рисунок 2. Свойства магнитного поля. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Ключевым преимуществом и свойством магнитного поля считается относительность. Если данный критерий оставить в заряженном теле недалеко от системы отсчета и расположить по соседству магнитную стрелку, то она начнет указывать на север, и при этом не «увидит» стороннего поля, кроме поля нашей планеты. А если заряженное током тело будет двигаться возле указанной стрелки, то вокруг вещества возникнет магнитное поле.

Источники магнитного поля можно разделить на такие составляющие:

  • электрическое пространство, меняющееся во времени;
  • подвижные и постоянные заряды;
  • заряженные током магниты.

В детстве многие были знакомы с магнитами, которые использовались в качестве игрушек, притягивающих к себе различные металлические детали. Их прикрепляли к холодильнику или же они были встроены в различные детские безделушки.

Электрические заряды, находящиеся в движении, чаще всего имеют намного больше магнитной энергии, если сравнить их с постоянными магнитами. Ученые установили причину, по которой физические тела получают определенные магнитные свойства. Согласно теории исследователей, внутри всех веществ есть электрические токи, имеющие микроскопическую величину. Электрон оснащен своим магнитным значением и имеет квантовую природу движения по орбите в атомах.

Магнитное поле способно влиять и воздействовать на меняющийся электрический ток. Его возможно обнаружить, если тестировать движение всех заряженных электронов. В магнитном процессе частицы с зарядом отклонятся, в результате чего проводники с движущимся током начнут уменьшаться.

Замечание 3

Данное явление не может быть воспринято человеческими органами, так как его реально зафиксировать только посредством соответствующих датчиков и приборов.

Магнитное поле бывает постоянного и переменного вида, а создается с помощью определенных индикаторов, функционирующих от переменного тока. Постоянное поле возникает только в неизменным электрическим полем.

Коэффициент такой пропорциональности называется индуктивностью основного проводника и обозначает возможность элемента создавать потокосцепление при трансформации электричества в силу тока, расположенную в контуре магнитного потока. Вышеуказанные определения и процессу помогают понять, что же собой представляет магнитное поле.

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:

линии магнитного поля

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».

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».

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.

В чём измеряется магнитное поле?

Магнитное поле является векторной величиной и для его измерения/определения нужно знать его направление и силу.

Для определения направления можно положить рядом с магнитным предметом магнитный компас. Таким образом, стрелка компаса остановится вдоль силовой линии.

Сила магнитного поля измеряется:

1. Либо в СИ в единицах Тесла (Тл) или микротесла (мкТл)

2. Либо в единицах Гаусс (Гс) или миллигаусс (мГс), до сих пор используется экспериментально.

  • 1 Тл = 10 000 Гс
  • 1 Гс = Тл
  • 1 мГс = 0,1 мкТл

Как создаётся магнитное поле?

Магнитные поля создаются движущимися электрически заряженными частицами, т.е. поле появляется там, где движутся электрические заряды. Например, пропуская электрический ток по проводнику.

Другой способ — комбинировать собственные магнитные поля электронов, что случается в некоторых материалах. Их называют постоянными магнитами (например, магнитики на наших холодильниках).

Если очень больший заряд будет двигаться с ещё большей скоростью, то и сила его магнитного поля тоже возрастёт.

Магнитная защита

Магнитное поле Земли (магнитосфера) защищает нашу планету от потока космических частиц (солнечной радиации). Заряженные частицы, попадая в силовое поле либо огибают его, либо попадают в “магнитную ловушку” и не достигают поверхности Земли. Если бы Земля не имела такого магнитного щита, то вся флора и фауна планеты были бы выжжены.

Северное сияние

Северное или полярное сияние (свечение) возникает из-за взаимодействия атомов атмосферы (кислорода и азота) с заряженными космическими частицами, захваченными магнитным полем Земли, силовые линии которого на полярных широтах почти перпендикулярны поверхности.

Северное сияние

Это явление возникает только вблизи полюсов, поскольку там сила магнитного поля Земли достигает значений, позволяющих космическим лучам попадать в верхние слои атмосферы.

Оцените статью
TutShema
Добавить комментарий