Магнітне поле, характеристика магнітного поля. Успіхи сучасного природознавства

Магніт – це тіло, яке утворює навколо себе магнітне поле.

Сила, створена магнітом, діятиме певні метали: залізо, нікель і кобальт. Предмети цих металів притягуються магнітом.
(сірник і пробка не притягуються, цвях тільки до правої половини магніту, скріпка - до будь-якого місця)

Існують дві області, де сила тяжіння максимальна. Вони називаються полюсами. Якщо магніт підвісити на тонкій нитці, він розгорнеться певним чином. Один кінець завжди буде вказувати на північ, а другий – на південь. Тому один полюс називають північним, а інший – південним.

Можна наочно розглянути дію магнітного поля, утвореного довкола магніту. Помістимо магніт на поверхню, на яку попередньо насипали металеву тирсу. Під дією магнітного поля тирса розташується у вигляді еліпсоподібних кривих. На вигляд цих кривих, можна уявити, як розташовуються в просторі лінії магнітного поля. Їхній напрямок прийнято позначати з півночі на південь.

Якщо ми візьмемо два однакові магніти і спробуємо наблизити їх полюсами, то з'ясуємо, що різні полюси притягуються, а однакові відштовхуються.

Наша Земля має магнітне поле, зване магнітним полем Землі. Стрілка північним кінцем завжди показує північ. Отже, північний географічний полюс Землі є південним магнітним полюсом, оскільки протилежні магнітні полюси притягуються. Аналогічно південний географічний полюс є північним магнітним полюсом.

Стрілка компаса північним кінцем завжди показує північ, оскільки притягується південним магнітним полюсом Землі.

Якщо помістити компас під дріт, який натягнутий у напрямі з півночі на південь і яким тече струм, ми побачимо, що магнітна стрілка відхилиться. Це доводить, що електричний струм створює навколо себе магнітне поле.

Якщо розташувати кілька компасів під дротом, яким тече електричний струм, ми побачимо, що це стрілки відхилиться на однаковий кут. Це означає, що магнітне поле, створюване дротом, однаково різних ділянках. Тому можна зробити висновок, що лінії магнітного поля для кожного провідника мають вигляд концентричних кіл.

Напрямок ліній магнітного поля можна визначити за допомогою правила правої руки. Для цього необхідно подумки обхопити правою рукою провідник з електричним струмом таким чином, щоб витягнутий великий палець правої руки показував напрямок електричного струму, тоді зігнуті пальці покажуть напрямок ліній магнітного поля.

Якщо ми скрутимо металевий дріт у спіраль і пустимо по ньому електричний струм, то магнітні поля кожного окремого витка підсумовуються у загальне поле спіралі.

Дія магнітного поля спіралі аналогічна до дії магнітного поля постійного магніту. Цей принцип ліг основою створення електромагніту. У нього, як і у постійного магніту, є південний та північний полюси. Північний полюс розташований там, звідки виходять лінії магнітного поля.

Сила постійного магніту не змінюється з часом. Електромагніт це по-іншому. Змінити силу електромагніту можна трьома способами.

Перший метод. Помістимо всередину спіралі металевий сердечник. При цьому дії магнітного поля сердечника та магнітного поля спіралі підсумовуються.

Другий спосіб. Збільшимо кількість витків спіралі. Чим більше витків біля спіралі, тим більша дія сили магнітного поля.

Третій спосіб. Збільшимо силу електричного струму, що протікає у спіралі. Магнітні поля окремих витків зростуть, отже сумарне магнітне поле спіралі також посилиться.

Гучномовець

У пристрій гучномовця входить електромагніт та постійний магніт. Електромагніт, який пов'язаний з мембраною гучномовця, надягається на жорстко закріплений постійний магніт. При цьому мембрана залишається рухомою. Пропустимо через електромагніт змінний електричний струм, який залежить від звукових коливань. Оскільки змінюється електричний струм, то електромагніті змінюється дію магнітного поля.

Внаслідок цього електромагніт притягуватиметься або відштовхуватиметься від постійного магніту з різною силою. Причому мембрана гучномовця буде здійснювати такі коливання, як і електромагніт. Таким чином, те, що було сказано в мікрофон, ми почуємо через гучномовець.

Дзвінок

Електричний дзвінок можна віднести до розряду електричних реле. Причиною звукового сигналу, що переривається, є періодичні замикання і розмикання електричного ланцюга.

При натисканні кнопки дзвінка електричний ланцюг замикається. Язичок дзвінка притягується електромагнітом і вдаряє в дзвіночок. При цьому язичок розмикає електричний ланцюг. Струм перестає текти, електромагніт не діє і язичок повертається у вихідне положення. Електричний ланцюг знову замикається, язичок знову притягується електромагнітом і вдаряє в дзвіночок. Цей процес буде продовжуватися доти, доки ми натискаємо кнопку дзвінка.

Електромотор

Встановимо магнітну стрілку, що вільно обертається, перед електромагнітом і розкрутимо її. Ми можемо підтримувати цей рух, якщо включатимемо електромагніт у той момент, коли магнітна стрілка повертається одним і тим же полюсом до електромагніту.

Сили тяжіння електромагніта достатньо, щоб обертальний рух стрілки не припинявся.

(на малюнку магніт отримує імпульс щоразу, коли червона стрілка знаходиться поруч і натискається кнопка. Якщо натиснути кнопку, коли поруч зелена стрілка, електромагніт зупиняється)

Цей принцип закладено основою електродвигуна. Тільки в ньому обертається не магнітна стрілка, а електромагніт, який називається якорем, у статично закріпленому підковоподібному магніті, який називається статором. Через повторювані замикання і розмикання ланцюга, електромагніт, тобто. якір, безперервно обертатиметься.

Електричний струм потрапляє на якір за допомогою двох контактів, що є двома ізольованими півкільцями. Це призводить до того, що електромагніт постійно змінює полярність. При знаходженні різнополярних полюсів один проти одного двигун починає уповільнювати обертання. Але в цей момент електромагніт змінює полярність, і тепер один проти одного знаходяться однакові полюси. Вони відштовхуються, і двигун продовжує обертання.

Генератор

Підключимо до кінця спіралі вольтметр і почнемо розгойдувати перед її витками постійний магніт. При цьому вольтметр покаже наявність напруги. З цього можна зробити висновок, що на електропровідник впливає магнітне поле, що змінюється.

З цього випливає закон електроіндукції: на кінцях індукційної котушки існуватиме напруга доти, поки котушка знаходиться в магнітному полі, що змінюється.

Чим більше витків у індукційної котушки, тим більше напруга виникає її кінцях. Напруга можна збільшити, посиливши магнітне поле або змусивши його швидше змінюватись. Металевий осердя, вставлений всередину індукційної котушки, збільшує індукційну напругу, оскільки магнітне поле посилюється через намагнічування сердечника.
(магнітом починають сильніше махати перед котушкою, внаслідок чого стрілка вольтметра відхиляється набагато більше)

Генератор – це протилежність електромотора. Якір, тобто. електромагніт, що обертається в магнітному полі постійного магніту. Через обертання якоря магнітне поле, що діє на нього, постійно змінюється. Внаслідок чого змінюється індукційна напруга, що виникла. Під час повного обороту якоря напруга половину часу буде позитивною і половину - негативною. Приклад цього є вітряний генератор, який створює змінну напругу.

Трансформатор

Відповідно до закону індукції напруга виникає, якщо змінюється магнітне полі індукційної котушці. Але магнітне поле котушки змінюватиметься лише в тому випадку, якщо в ній виникає змінна напруга.

Магнітне поле змінюється від нуля до кінцевої величини. Якщо підключити котушку до джерела напруги, то змінне магнітне поле, що виникло внаслідок цього, створить короткочасну індукційну напругу, яка протидіятиме основній напрузі. Щоб спостерігати виникнення індукційної напруги, необов'язково використовувати дві котушки. Це можна зробити і з однією котушкою, але тоді такий процес називається самоіндукцією. Напруга в котушці досягає свого максимуму через деякий час, коли магнітне поле перестане змінюватись і стане постійним.

Так само змінюється магнітне поле, якщо ми відключаємо котушку від джерела напруги. У цьому випадку, теж виникає явище самоіндукції, яке протидіє напруги, що падає. Тому напруга падає до нуля не миттєво, а з певним запізненням.

Якщо ми постійно підключаємо та відключаємо джерело напруги до котушки, то магнітне поле навколо неї постійно змінюватиметься. Одночасно виникає і змінна індукційна напруга. Тепер замість цього підключимо котушку до джерела змінної напруги. Через деякий час виникає змінна індукційна напруга.

Підключимо першу котушку до джерела змінної напруги. Завдяки металевому сердечнику змінне магнітне поле, що виникло, діятиме і на другу котушку. Це означає, що змінну напругу можна передати з одного ланцюга електричного струму до іншого, навіть якщо ці ланцюги не будуть пов'язані один з одним.

Якщо ми візьмемо дві однакові за параметрами котушки, то другий ми можемо отримати таку ж напругу, що діє на першу котушку. Це використовується у трансформаторах. Тільки метою трансформатора є створити в другій котушці іншу напругу, відмінну від першої. Для цього друга котушка повинна мати більшу чи меншу кількість витків.

Якщо в першій котушці було 1000 витків, а в другій - 10, то напруга в другому ланцюзі складатиме лише соту частину від напруги в першій. Проте сила струму підвищується практично в сто разів. Тому трансформатори високої напруги необхідні створення великої сили струму.

Магнітні поля виникають у природі та можуть створюватися штучно. Людина помітила їхні корисні характеристики, які навчився застосовувати у повсякденному житті. Що є джерелом магнітного поля?

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/1-17-768x560..jpg 795w "sizes="

Магнітне поле Землі

Як розвивалося вчення про магнітне поле

Магнітні властивості деяких речовин були помічені ще в давнину, але по-справжньому їхнє вивчення почалося в середньовічній Європі. Використовуючи дрібні сталеві голки, вчений із Франції Перегрін виявив перетин силових магнітних ліній у певних пунктах – полюсах. Тільки через три століття, керуючись цим відкриттям, Гілберт продовжив його вивчення і згодом захищав свою гіпотезу, що Земля має власне магнітне поле.

Бурхливий розвиток теорії магнетизму почався з початку 19-го століття, коли Ампер виявив і описав вплив електричного поля на виникнення магнітного, а відкриття Фарадеєм електромагнітної індукції встановило зворотний взаємозв'язок.

Що таке магнітне поле

Магнітне поле проявляється в силовому впливі на електрозаряди, що знаходяться в русі, або на тіла, які мають магнітний момент.

Джерела магнітного поля:

Провідники, якими проходить електричний струм;
Постійні магніти;
Електричне поле, що змінюється.

Data-lazy-type="image" data-src="http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/2-18-600x307.jpg?.jpg 600w, https://elquanta. ru/wp-content/uploads/2018/02/2-18-768x393..jpg 800w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Джерела магнітного поля

Причина виникнення магнітного поля ідентична всім джерел: електричні мікрозаряди – електрони, іони чи протони мають власним магнітним моментом чи перебувають у спрямованому русі.

Важливо!Взаємно породжують одне одного електричні та магнітні поля, що змінюються з часом. Цей взаємозв'язок визначається рівняннями Максвелла.

Характеристики магнітного поля

Характеристиками магнітного поля є:

Магнітний потік, скалярна величина, що визначає, скільки силових ліній магнітного поля проходить через заданий переріз. Позначається літерою F. Розраховується за формулою:

F = B x S x cos α,

де В – вектор магнітної індукції, S – переріз, α – кут нахилу вектора до перпендикуляра, проведеного до площини перерізу. Одиниця виміру - вебер (Вб);

Data-lazy-type="image" data-src="http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/3-17-600x450.jpg?.jpg 600w, https://elquanta. ru/wp-content/uploads/2018/02/3-17.jpg 720w" sizes="(max-width: 600px) 100vw, 600px">

Магнітний потік

Вектор магнітної індукції (В) показує силу, що діє на зарядні носії. Він спрямований у бік північного полюса, куди вказує стандартна магнітна стрілка. Кількісно магнітну індукцію вимірюють у теслах (Тл);
Напруженість МП (Н). Визначається магнітною проникністю різних середовищ. У вакуумі проникність приймається за одиницю. Напрямок вектора напруженості збігається із напрямком магнітної індукції. Одиниця виміру – А/м.

Як уявити магнітне поле

Легко бачити прояви магнітного поля з прикладу постійного магніту. Він має два полюси, і в залежності від орієнтації два магніти притягуються або відштовхуються. Магнітне поле характеризує процеси, що відбуваються при цьому:

МП математично описується як векторне поле. Воно може бути побудовано за допомогою багатьох векторів магнітної індукції, кожен з яких спрямований у бік північного полюса стрілки компаса і має довжину, що залежить від магнітної сили;
Альтернативний спосіб подання полягає у використанні силових ліній. Ці лінії ніколи не перетинаються, ніде не починаються і не зупиняються утворюючи замкнуті петлі. Лінії МП поєднуються в області з більш частим розташуванням, де магнітне поле є найсильнішим.

Важливо!Щільність силових ліній свідчить про міцність магнітного поля.

Хоча насправді МП бачити не можна, силові лінії легко візуалізувати в реальному світі, розташувавши залізну тирсу в МП. Кожна частка поводиться як крихітний магніт з північним і південним полюсом. Результатом є шаблон схожий на силові лінії. Відчути вплив МП людина не здатна.

600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/4-13.jpg 640w" sizes="(max-width: 600px)

Силові лінії магнітного поля

Вимірювання магнітного поля

Так як це векторна величина, для вимірювання МП існує два параметри: сила і напрямок. Напрямок легко виміряти компасом, з'єднаним з полем. Приклад компас, поміщений в магнітне поле Землі.

Вимірювання інших характеристик значно складніше. Практичні магнітометри з'явилися лише у 19-му столітті. Більшість із них працюють, використовуючи силу, яку електрон відчуває під час руху МП.

Jpg?x15027" alt="(!LANG:Магнітометр" width="414" height="600">!}

Магнітометр

Дуже точний вимір малих магнітних полів став практично здійсненний з моменту відкриття в 1988 році гігантського магнітоопору в шаруватих матеріалах. Це відкриття у фундаментальній фізиці було швидко застосовано до магнітної технології жорсткого диска для зберігання даних на комп'ютерах, що призвело до тисячоразового збільшення ємності сховища лише за кілька років.

У загальноприйнятих системах вимірювання МП вимірюється в тестах (Тл) або в гаусах (Гс). 1 Тл = 10 000 Гс. Гаус часто використовується, тому що Тесла - занадто велике поле.

Цікаво.Невеликий магніт на холодильнику створює МП, що дорівнює 0,001 Тл, а магнітне поле Землі в середньому - 0,00005 Тл.

Природа виникнення магнітного поля

Магнетизм та магнітні поля є проявами електромагнітної сили. Є два можливі способи, як організувати енергозаряд у русі і, отже, магнітне поле.

Перший - це приєднати провід до джерела струму, навколо нього утворюється МП.

Важливо!У міру збільшення струму (кількості зарядів у русі) пропорційно збільшується МП. При віддаленні дроту поле знижується залежно від відстані. Це описується законом Ампера.

Jpg?.jpg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/6-9.jpg 720w" sizes="

Закон Ампера

Деякі матеріали, що мають більш високу магнітопроникність, здатні концентрувати магнітні поля.

Оскільки магнітне поле – це вектор, необхідно визначити його напрямок. Для звичайного струму, що протікає через прямий провід, напрямок можна знайти за правилом правої руки.

Щоб використовувати правило, треба уявити, що провід обхоплений правою рукою, а великий палець вказує напрямок струму. Тоді чотири інші пальці покажуть напрямок вектора магнітної індукції навколо провідника.

Jpeg?.jpeg 600w, https://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/7.jpeg 612w" sizes="

Правило правої руки

Другий спосіб створення МП - використання факту, що в деяких речовинах з'являються електрони, що мають власний магнітний момент. Так працюють постійні магніти:

Хоча атоми часто мають багато електронів, вони з'єднуються в основному так, що повне магнітне поле пари компенсується. Кажуть, що два електрони, спарені таким чином, мають протилежний спин. Тому щоб щось намагнітити, потрібні атоми, які мають один або кілька електронів з однаковим спином. Наприклад, залізо має чотири таких електрони і підходить для виготовлення магнітів;
Мільярди електронів, що знаходяться в атомах, можуть бути випадково орієнтовані, і загального МП не буде незалежно від того, скільки неспарених електронів має матеріал. Він має бути стабільним за невисокої температури, щоб забезпечити загальну кращу орієнтацію електронів. Висока магнітопроникність обумовлює намагнічування таких речовин за певних умов поза впливом МП. Це феромагнетики;
Інші матеріали можуть проявляти магнітні властивості за наявності зовнішнього МП. Зовнішнє поле служить вирівнювання всіх електронних спинів, що зникає після видалення МП. Це речовини – парамагнетики. Метал двері холодильника є прикладом парамагнетика.

Магнітне поле Землі

Землю можна як конденсаторних обкладок, заряд яких має протилежний знак: «мінус» – біля земної поверхні і «плюс» – в іоносфері. Між ними знаходиться атмосферне повітря як ізоляційна прокладка. Гігантський конденсатор зберігає постійний заряд завдяки впливу земного МП. Користуючись цими знаннями, можна створити схему отримання електрики з магнітного поля Землі. Щоправда, у результаті будуть невисокі значення напруги.

Потрібно взяти:

заземлюючий пристрій;
дріт;
трансформатор Тесла, здатний генерувати високочастотні коливання та створювати коронний розряд, іонізуючи повітря.

Data-lazy-type="image" data-src="http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/02/8-3-592x600.jpg?.jpg 592w, https://elquanta. ru/wp-content/uploads/2018/02/8-3.jpg 644w" sizes="(max-width: 592px) 100vw, 592px">

Котушка Тесла

Котушка Тесла виступатиме в ролі емітера електронів. Вся конструкція з'єднується разом, причому для забезпечення достатньої різниці потенціалів трансформатор має бути піднятий на значну висоту. Таким чином, буде створено електричний ланцюг, яким буде протікати маленький струм. Отримати велику кількість електроенергії, користуючись цим пристроєм, неможливо.

Електрика і магнетизм домінують у багатьох світах, що оточують людину: від фундаментальних процесів у природі до ультрасучасних електронних пристроїв.

Відео

Визначення магнітного поля. Його джерела

Визначення

Магнітне поле - одна з форм електромагнітного поля, яке діє тільки на ті тіла, що рухаються, які мають електричний заряд або намагнічені тіла незалежно від їх руху.

Джерелами цього поля є постійні електричні струми, електричні заряди, що рухаються (тілами і частинками), намагнічені тіла, змінні електричні поля. Джерелами постійного магнітного поля є постійні струми.

Властивості магнітного поля

За часів, коли вивчення магнітних явищ тільки почалося, дослідники особливу увагу приділяли тому, що існують полюси на брусках намагнічених. Вони магнітні властивості виявлялися особливо яскраво. При цьому було чітко видно, що полюси магніту різні. Різноманітні полюси притягувалися, а однойменні відштовхувалися. Гільберт висловив ідею існування «магнітних зарядів». Ці вистави потримав і розвинув Кулон. На основі дослідів Кулона силовою характеристикою магнітного поля стала сила, з якою магнітне поле діє на магнітний заряд, що дорівнює одиниці. Кулон звернув увагу на суттєві відмінності між явищами в електриці та магнетизмі. Відмінність проявляється вже в тому, що електричні заряди можна розділити та отримати тіла з надлишком позитивного або негативного заряду, тоді як неможливо розділити північний та південний полюси магніту та отримати тіло лише з одним полюсом. З неможливості поділу магніту на виключно «північний» або «південний» Кулон вирішив, що ці два види зарядів нерозривні в кожній елементарній частинці речовини, що намагнічує. Так, було визнано, що кожна частка речовини - атом, молекула або їх група - є щось на зразок мікромагніту з двома полюсами. Намагнічування тіла у своїй - процес орієнтації його елементарних магнітів під впливом зовнішнього магнітного поля (аналог поляризації діелектриків).

Взаємодія струмів реалізується у вигляді магнітних полів. Ерстед виявив, що магнітне поле збуджується струмом і орієнтує на магнітну стрілку. У Ерстеда провідник зі струмом був розташований над магнітною стрілкою, яка могла обертатися. Коли струм йшов у провіднику, стрілка поверталася перпендикулярно до дроту. Зміна напряму струму викликала переорієнтацію стрілки. З досвіду Ерстеда випливало, що магнітне поле має напрямок і має характеризуватись векторною величиною. Цю величину назвали магнітною індукцією і позначили: $\overrightarrow(B).$ $\overrightarrow(B)$ аналогічний вектору напруженості для електричного поля ($\overrightarrow(E)$). Аналогом вектора зміщення $\overrightarrow(D)\ $для магнітного поля став вектор $\overrightarrow(H)$- званий вектором напруженості магнітного поля.

Магнітне поле впливає тільки на електричний заряд, що рухається. Магнітне поле народжується електричними зарядами, що рухаються.

Магнітне поле заряду, що рухається. Магнітне поле витка зі струмом. Принцип суперпозиції

Магнітне поле електричного заряду, що рухається з постійною швидкістю, має вигляд:

\[\overrightarrow(B)=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q\left[\overrightarrow(v)\overrightarrow(r)\right])(r^3)\left (1\right),\]

де $(\mu )_0=4\pi \cdot (10)^(-7)\frac(Гн)(м)(в\ СІ)$ -- магнітна постійна, $\overrightarrow(v)$ -- швидкість руху заряду, $ \ overrightarrow (r) $ - радіус вектор, що визначає місце розташування заряду, q - величина заряду, $ \ left [ \ overrightarrow (v) \ overrightarrow (r) \ right] $ - векторний добуток.

Магнітна індукція елемента зі струмом у системі СІ:

де$\ \overrightarrow(r)$- радіус-вектор, проведений з елемента струму в розглянуту точку, $\overrightarrow(dl)$- елемент провідника зі струмом (напрямок задано напрям струму), $\vartheta$ -- кут між $ \overrightarrow(dl)$ і $\overrightarrow(r)$. Напрямок вектора $\overrightarrow(dB)$ -- перпендикулярно до площини, в якій лежать $\overrightarrow(dl)$ і $\overrightarrow(r)$. Визначається правилом правого гвинта.

Для магнітного поля виконується принцип суперпозиції:

\[\overrightarrow(B)=\sum((\overrightarrow(B))_i\left(3\right),)\]

де $(\overrightarrow(B))_i$ -- окремі поля, які породжуються зарядами, що рухаються, $\overrightarrow(B)$ -- сумарна індукція магнітного поля.

Приклад 1

Завдання: Знайдіть відношення сил магнітної та кулонівської взаємодії двох електронів, що рухаються з однаковими швидкостями $v$ паралельно. Відстань між частинками постійно.

\[\overrightarrow(F_m)=q\left[\overrightarrow(v)\overrightarrow(B)\right]\left(1.1\right).\]

Поле, яке створює другий електрон, що рухається, дорівнює:

\[\overrightarrow(B)=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q\left[\overrightarrow(v)\overrightarrow(r)\right])(r^3)\left (1.2 \ right). \]

Нехай відстань між електронами дорівнює $a = r \ (постійно) $. Використовуємо алгебраїчну властивість векторного твору (тотожність Лагража )\overrightarrow(c)\right)-\overrightarrow(c)\left(\overrightarrow(a)\overrightarrow(b)\right)$))

\[(\overrightarrow(F))_m=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q^2)(a^3)\left[\overrightarrow(v)\left[\overrightarrow (v)\overrightarrow(a)\right]\right]=\left(\overrightarrow(v)\left(\overrightarrow(v)\overrightarrow(a)\right)-\overrightarrow(a)\left(\overrightarrow (v)\overrightarrow(v)\right)\right)=-\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q^2\overrightarrow(a)v^2)(a^3) \ ,\]

$\overrightarrow(v)\left(\overrightarrow(v)\overrightarrow(a)\right)=0$, тому що $\overrightarrow(v\bot )\overrightarrow(a)$.

Модуль сили $F_m=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q^2v^2)(a^2),\ $де $q=q_e=1,6\cdot 10^( -19) Кл $.

Модуль сили Кулона, що діє на електрон, у полі дорівнює:

Знайдемо відношення сил $\frac(F_m)(F_q)$:

\[\frac(F_m)(F_q)=\frac((\mu )_0)(4\pi )\frac(q^2v^2)(a^2):\frac(q^2)((4 \pi (\varepsilon )_0a)^2)=(\mu )_0((\varepsilon )_0v)^2.

Відповідь: $\frac(F_m)(F_q)=(\mu )_0((\varepsilon )_0v)^2.$

Приклад 2

Завдання: По витку зі струмом у вигляді кола радіуса R циркулює постійний струм сили I. Знайдіть магнітну індукцію в центрі кола.

Виберемо на провіднику зі струмом елементарну ділянку (рис.1), як основу для вирішення задачі використовуємо формулу індукції елемента витка зі струмом:

Від усіх елементів струму утворюватиметься магнітні поля, спрямовані по осі x. Це означає, що результуючий вектор індукції магнітного поля можна знайти як суму проекцій окремих векторів $ \ \ \ overrightarrow (dB).

Підставимо (2.2) у (2.3), отримаємо:

Відповідь: $B$=$\frac((\mu )_0)(2)\frac(I)(R).$

До такого предмета, як магніт, усі давно звикли. Ми не бачимо в ньому нічого особливого. Асоціюється у нас він зазвичай із уроками фізики або демонстрацією у вигляді фокусів властивостей магніту для дошкільнят. І рідко хтось замислюється, скільки магнітів оточує нас у повсякденному житті. У будь-якій квартирі їх десятки. Магніт присутній у пристрої кожного динаміка, магнітофона, електробритви, годинника. Навіть банку із цвяхами є таким.

А ще?

Ми – люди – не виняток. Завдяки біотокам, що протікають в організмі, навколо нас існує невидимий візерунок його силових ліній. Величезним магнітом є планета Земля. А ще більш грандіозною – плазмова куля сонця. Незбагненні людському розуму розміри галактик і туманностей рідко припускають думку, що це - теж магніти.

Сучасній науці потрібно створення нових великих і надпотужних магнітів, сфери застосування яких пов'язані з термоядерним синтезом, генеруванням електричної енергії, прискоренням у синхротронах заряджених частинок, підйомом затонулих суден. Створити надсильне поле, використовуючи - одне із завдань сучасної фізики.

Уточнимо поняття

Магнітним полем називається сила, що діє на тіла, що володіють зарядом, що знаходяться в русі. Вона "не працює" з нерухомими об'єктами (або позбавленими заряду) і служить однією з форм електромагнітного поля, яке існує як найбільш загальне поняття.

Якщо тіла можуть створювати навколо себе магнітне поле і самі відчувати силу його впливу, їх називають магнітами. Тобто ці предмети - намагнічені (мають відповідний момент).

Різні матеріали неоднаково реагують на зовнішнє поле. Що послаблюють його дію в собі називаються парамагнетиками, що підсилюють - діамагнетиками. Окремі матеріали мають властивість тисячоразово посилювати в собі зовнішнє магнітне поле. Це - феромагнетики (кобальт, нікель із залізом, гадолиній, а також сполуки та сплави згаданих металів). Ті з них, які, потрапивши під вплив сильного зовнішнього поля, самі набувають магнітні властивості, називаються магнітотвердими. Інші, здатні поводитися як магніти лише під безпосереднім впливом поля і перестають бути з його зникненням, - магнитомягкими.

Трохи історії

Вивченням властивостей постійних магнітів люди займаються з дуже давніх часів. Згадується про них у працях вчених Стародавньої Греції ще за 600 років до нашої ери. Природні (природного походження) магніти можна знайти у покладах магнітної руди. Найбільш відомий із великих природних магнітів зберігається в Тартуському університеті. Важить він 13 кілограмів, а вантаж, який може бути піднятий за його допомогою, – 40 кг.

Людство навчилося створювати штучні магніти, використовуючи різні феромагнетики. Цінність порошкових (з кобальту, заліза тощо) полягає у здатності утримувати вантаж вагою в 5000 разів більше за власну масу. Штучні екземпляри можуть бути постійними (отриманими або електромагнітами, що мають сердечник, матеріал якого - магнітом'яке залізо. Поле напруги в них виникає завдяки проходженню електричного струму по проводах обмотки, якої оточений сердечник.

p align="justify"> Перша серйозна книга, що містить спроби наукового дослідження властивостей магніту, - праця лондонського лікаря Гільберта, що вийшов у 1600 році. Ця робота містить всю сукупність наявних на той момент відомостей, що стосуються магнетизму та електрики, а також авторські експерименти.

Будь-яке з існуючих явищ людина намагається пристосувати до практичного життя. Зрозуміло, і магніт не став винятком.

Як використовують магніти

Які властивості магніту людство взяло на озброєння? Сфера застосування його настільки широка, що ми маємо можливість лише коротко торкнутися основних, найвідоміших пристроїв та областей застосування цього чудового предмета.

Компас є всім відомим приладом визначення на території напрямів. Завдяки йому прокладають шляхи повітряних та морських суден, наземного транспорту, цілі пішохідного руху. Ці прилади можуть бути магнітними (стрілкового типу), використовуваними туристами та топографами, або немагнітними (радіо-і гідрокомпас).

Перші компаси були виготовлені в XI столітті і використовувалися в навігації. Засновано їхню дію на вільному повороті в горизонтальній площині довгої голки з магнітного матеріалу, врівноваженої на осі. Один її кінець завжди звернений на південь, інший - на північ. Таким чином можна завжди точно дізнатися про основні напрями щодо сторін світла.

Головні сфери

Області, де властивості магніту знайшли основне застосування - радіо- та електротехніка, приладобудування, автоматика та телемеханіка. З одержують реле, магнітопроводи і т. п. У 1820 було виявлено властивість провідника зі струмом впливати на стрілку магніту, примушуючи її до повороту. В цей же час було зроблено й інше відкриття - пара паралельних провідників, крізь які проходить струм одного напрямку, мають властивість взаємного тяжіння.

Завдяки цьому було зроблено припущення причини властивостей магніту. Всі подібні явища виникають у зв'язку зі струмами, у тому числі циркулюючими всередині магнітних матеріалів. Сучасні уявлення у науці повністю збігаються з цим припущенням.

Про двигуни та генератори

На основі його створено безліч різновидів електродвигунів і електрогенераторів, тобто машин обертального типу, принцип дії яких заснований на перетворенні механічної енергії в електричну (йдеться про генератори) або електричної в механічну (про двигуни). Будь-який генератор діє за принципом електромагнітної індукції, тобто ЕРС (електрорушійна сила) виникає у дроті, що рухається в магнітному полі. Електродвигун працює на основі явища виникнення сили у дроті зі струмом, поміщеним у поперечне поле.

Використовуючи силу взаємодії поля зі струмом, який проходить через витки обмотки їх рухомих елементів, працюють прилади, що називаються магнітоелектричними. Як новий потужний електродвигун змінного струму, що має дві обмотки, виступає індукційний лічильник електроенергії. Розташований між обмоток провідний диск схильний до обертання крутним моментом, сила якого пропорційна споживаної потужності.

А у побуті?

Забезпечений мініатюрною батарейкою електричний наручний годинник знайомий усім. Влаштування їх завдяки використанню пари магнітів, пари котушок індуктивності та транзистора набагато простіше за кількістю наявних деталей, ніж у механічних годинників.

Все більше застосування знаходять замки електромагнітного типу або такі циліндрові замки, які мають магнітні елементи. Вони як ключ, і замок оснащені кодовим набором. При попаданні в свердловину замка правильного ключа у потрібне положення притягуються внутрішні елементи магнітного замка, що дозволяє відкрити його.

На дії магнітів засновано пристрій динамометрів та гальванометра (високочутливого приладу, за допомогою якого вимірюють слабкі струми). Властивості магніту знайшли застосування у виробництві абразивів. Так називають гострі дрібні і дуже жорсткі частинки, які необхідні для механічної обробки (шліфування, полірування, обдирки) різних предметів і матеріалів. При виробництві їх необхідний склад суміші феросиліцій частково осідає на дно печей, частково впроваджується до складу абразиву. Для видалення його звідти потрібні магніти.

Наука та зв'язок

Завдяки магнітним властивостям речовин наука має можливість вивчати структуру різних тіл. Можна лише згадати про магнітохімію або (метод виявлення дефектів шляхом дослідження спотворення магнітного поля у певних зонах виробів).

Застосовують їх у виробництві техніки надвисокого частотного діапазону, радіосистемах зв'язку (військового призначення і комерційних лініях), при термообробці, як і домашніх умовах, і у харчової промисловості продуктів (усім добре знайомі мікрохвильові печі). Практично неможливо в рамках однієї статті перерахувати всі ті найскладніші технічні пристрої та сфери застосування, де використовуються в наші дні магнітні властивості речовин.

Сфера медицини

Не стала винятком і сфера діагностики та медичної терапії. Завдяки електронним лінійним прискорювачам, що генерують рентгенівське випромінювання, здійснюється пухлинна терапія, в циклотронах або синхротронах генеруються пучки протонів, що мають переваги перед рентгенівськими променями в локальній спрямованості та підвищеній ефективності при лікуванні пухлин очей і мозку.

Щодо біологічної науки, то ще до середини минулого століття життєві функції організму ніяк не пов'язувалися з існуванням магнітних полів. Наукова література зрідка поповнювалася одиничними повідомленнями про той чи інший їхній медичний ефект. Але з шістдесятих років лавиною потекли публікації про біологічні властивості магніту.

Раніше і зараз

Проте спроби лікувати їм людей робилися алхіміками ще в XVI столітті. Зафіксовано багато успішних спроб лікування зубного болю, нервових розладів, безсоння та безлічі неполадок внутрішніх органів. Здається, що у медицині своє застосування магніт знайшов анітрохи пізніше, ніж у мореплаванні.

Останні півстоліття широко використовуються магнітні браслети, популярні серед хворих із порушеним тиском крові. Вчені серйозно повірили у здатність магніту підвищувати опірність людського організму. За допомогою електромагнітних приладів навчилися вимірювати швидкість кровоносного потоку, брати проби або вводити потрібні медикаменти із капсул.

Магнітом видаляють дрібні металеві частинки, що потрапили в око. На його дії заснована робота електродатчиків (будь-якому з нас знайома процедура зняття електрокардіограми). У наш час співпраця фізиків з біологами для вивчення глибинних механізмів впливу на людський організм магнітного поля стає дедалі тіснішою і необхідною.

Неодимовий магніт: властивості та застосування

Неодимові магніти вважаються максимальним впливом на людське здоров'я. Складаються вони з неодиму, заліза та бору. Хімічна їх формула - NdFeB. Головною перевагою такого магніту вважається сильний вплив його поля за відносно невеликого розміру. Так, вага магніту силою 200 гаус становить близько 1 гр. Для порівняння, рівний йому за силою залізний магніт має вагу, більшу приблизно в 10 разів.

Інша безперечна перевага згаданих магнітів - відмінна стійкість і здатність до збереження корисних властивостей протягом сотень років. Протягом століття магніт втрачає свої властивості лише з 1 %.

Як саме лікуються неодимовим магнітом?

З його допомогою покращують кровообіг, стабілізують тиск, борються з мігрень.

Властивості неодимових магнітів почали використовувати для лікування близько 2000 років тому. Згадки про такий вид терапії зустрічаються у манускриптах Стародавнього Китаю. Лікували тоді прикладенням намагніченого каміння до людського тіла.

Терапія існувала у формі прикріплення їх у тілі. Легенда стверджує, що відмінним здоров'ям і неземною красою Клеопатра мала постійне носіння на голові магнітної пов'язки. У X столітті перськими вченими докладно описувалося сприятливий вплив властивостей неодимових магнітів на організм людини у разі ліквідації запалень і спазмів. За свідченнями того часу можна судити про застосування їх для збільшення сили м'язів, міцності кісткових тканин і зниження болю в суглобах.

Від усіх недуг...

Докази ефективності такого впливу були опубліковані в 1530 знаменитим доктором зі Швейцарії Парацельсом. У своїх працях лікар описував чарівні властивості магніту, що може стимулювати сили організму та викликати самовилікування. Величезна кількість хвороб у ті часи почали долати, використовуючи магніт.

Широке поширення набула самолікування з допомогою цього кошти США у повоєнні роки (1861-1865), коли медикаментів категорично бракувало. Використовували його як ліки, і як знеболювальне.

Починаючи з XX століття, лікувальні властивості магніту отримали наукове обґрунтування. 1976 року японським лікарем Нікагавою було введено поняття синдрому дефіциту магнітного поля. Дослідженнями встановлено точні його симптоми. Полягають вони у слабкості, стомлюваності, зниженій працездатності та порушеннях процесу сну. Також мають місце мігрені, суглобові та хребетні болі, неполадки із травною та серцево-судинною системами у вигляді гіпотонії або гіпертонії. Стосується синдрому та області гінекології, і шкірних змін. Застосуванням магнітотерапії дані стану досить успішно вдається нормалізувати.

Наука не стоїть на місці

Вчені продовжують експериментувати із магнітними полями. Досліди проводять як на тваринах і птахах, так і на бактеріях. Умови ослабленого магнітного поля знижують успішність обмінних процесів у піддослідних птахів та мишей, бактерії різко припиняють розмножуватися. При тривалому дефіциті поля живі тканини зазнають незворотних змін.

Саме для боротьби з усіма подібними явищами та викликаними ними численними негативними наслідками застосовується магнітотерапія як така. Здається, що у час всі корисні властивості магнітів ще вивчені належним чином. Попереду у лікарів безліч найцікавіших відкриттів та нових розробок.

Тема: Магнітне поле

Підготував: Байгарашев Д.М.

Перевірила: Габдулліна А.Т.

Магнітне поле

Якщо два паралельно розташованих провідника під'єднати до джерела струму так, щоб по них пройшов електричний струм, то залежно від напрямку струму в них провідники або відштовхуються або притягуються.

Пояснення цього явища можливе з позиції виникнення навколо провідників особливого виду матерії – магнітного поля.

Сили, з якими взаємодіють провідники зі струмом, називаються магнітними.

Магнітне поле- це особливий вид матерії, специфічною особливістю якої є вплив на електричний заряд, що рухається, провідники зі струмом, тіла, що володіють магнітним моментом, з силою, яка залежить від вектора швидкості заряду, напрямки сили струму в провіднику і від напрямку магнітного моменту тіла.

Історія магнетизму сягає корінням у глибоку давнину, до античних цивілізацій Малої Азії. Саме на території Малої Азії в Магнезії знаходили гірську породу, зразки якої притягувалися один до одного. За назвою місцевості такі зразки стали називати "магнетиками". Будь-який магніт у формі стрижня чи підкови має два торці, які називаються полюсами; саме в цьому місці найсильніше і виявляються його магнітні властивості. Якщо підвісити магніт на нитці, один полюс завжди вказуватиме на північ. На цьому принципі засновано компас. Повернений на північ полюс вільно висить магніту називається північним полюсом магніту (N). Протилежний полюс називається південним полюсом (S).

Магнітні полюси взаємодіють один з одним: однойменні полюси відштовхуються, а різноіменні – притягуються. Аналогічно концепції електричного поля, що оточує електричний заряд, вводять уявлення про магнітне поле навколо магніту.

У 1820 р. Ерстед (1777-1851) виявив, що магнітна стрілка, розташована поряд з електричним провідником, відхиляється, коли по провіднику тече струм, тобто навколо провідника зі струмом створюється магнітне поле. Якщо взяти рамку зі струмом, то зовнішнє магнітне поле взаємодіє з магнітним полем рамки і виявляє на неї орієнтуючу дію, тобто існує таке положення рамки, при якому зовнішнє магнітне поле надає на неї максимальну обертальну дію, і існує положення, коли момент, що обертає сил дорівнює нулю.

Магнітне поле в будь-якій точці можна охарактеризувати вектором, який називається вектор магнітної індукціїабо магнітною індукцієюу точці.

Магнітна індукція - це векторна фізична величина, що є силовою характеристикою магнітного поля в точці. Вона дорівнює відношенню максимального механічного моменту сил, що діють на рамку зі струмом, поміщену в однорідне поле, до твору сили струму в рамці на її площу.

За напрямок вектора магнітної індукції приймається напрям позитивної нормалі до рамки, яке пов'язане зі струмом в рамці правилом правого гвинта, при механічному моменті, що дорівнює нулю.

Так само, як зображували лінії напруженості електричного поля, зображують лінії індукції магнітного поля. Лінія індукції магнітного поля - уявна лінія, дотична до якої збігається з напрямком у точці.

Напрями магнітного поля в даній точці можна визначити ще як напрямок, який вказує

північний полюс стрілки компаса, поміщений у цю точку. Вважають, лінії індукції магнітного поля спрямовані від північного полюса до південного.

Напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля, створеного електричним струмом, що тече прямолінійним провідником, визначається правилом свердла або правого гвинта. За напрямок ліній магнітної індукції приймається напрямок обертання головки гвинта, який би забезпечував поступальний його рух у напрямку електричного струму (рис. 59).

де n 01 = 4 Пі 10 -7 с/(А м). - магнітна стала, R - відстань, I - сила струму в провіднику.

На відміну від ліній напруженості електростатичного поля, що починаються на позитивному заряді та закінчуються на негативному, лінії індукції магнітного поля завжди замкнуті. Магнітного заряду аналогічно електричного заряду не виявлено.

За одиницю індукції приймається одна тесла (1 Тл) - індукція такого однорідного магнітного поля, в якому на рамку площею 1 м 2 по якій тече струм в 1 А, діє максимальний обертовий механічний момент сил, рівний 1 Н м.

Індукцію магнітного поля можна визначити і за силою, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі.

На провідник із струмом, поміщений у магнітне поле, діє сила Ампера, величина якої визначається наступним виразом:

де I - сила струму у провіднику, l -довжина провідника, В - модуль вектора магнітної індукції, а - кут між вектором та напрямом струму.

Напрямок сили Ампера можна визначити за правилом лівої руки: долоню лівої руки маємо так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, чотири пальці розташовуємо у напрямку струму в провіднику, то відігнутий великий палець показує напрямок сили Ампера.

Враховуючи, що I = q 0 nSv, і підставляючи цей вираз (3.21), отримаємо F = q 0 nSh/B sin a. Число частинок (N) у заданому обсязі провідника дорівнює N = nSl, тоді F = q 0 NvB sin a.

Визначимо силу, що діє з боку магнітного поля на окрему заряджену частинку, що рухається в магнітному полі:

Цю силу називають силою Лоренца (1853–1928). Напрямок сили Лоренца можна визначити за правилом лівої руки: долоню лівої руки маємо так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, чотири пальці показували напрямок руху позитивного заряду, великий відігнутий палець покаже напрямок сили Лоренца.

Сила взаємодії між двома паралельними провідниками, якими течуть струми I 1 і I 2 дорівнює:

де l -частина провідника, що у магнітному полі. Якщо струми одного напрямку, то провідники притягуються (рис. 60), якщо протилежного напряму відштовхуються. Сили, які діють кожен провідник, рівні по модулю, протилежні за напрямом. Формула (3.22) є основною визначення одиниці сили струму 1 ампер (1 А).

Магнітні властивості речовини характеризує скалярна фізична величина - магнітна проникність, що показує у скільки разів індукція магнітного поля в речовині, що повністю заповнює поле, відрізняється за модулем від індукції 0 магнітного поля у вакуумі:

За своїми магнітними властивостями всі речовини діляться на діамагнітні, парамагнітніі феромагнітні.

Розглянемо природу магнітних властивостей речовин.

Електрони в оболонці атомів речовини рухаються різними орбітами. Для спрощення вважаємо ці орбіти круговими, і кожен електрон, що обертається навколо атомного ядра, можна як круговий електричний струм. Кожен електрон, як круговий струм, створює магнітне поле, яке назвемо орбітальним. Крім того, електрон в атомі має власне магнітне поле, зване спиновим.

Якщо при внесенні в зовнішнє магнітне поле з індукцією 0 всередині речовини створюється індукція< В 0 , то такие вещества называются диамагнитными (n< 1).

У діамагнітнихматеріалах за відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні поля електронів скомпенсовані, і за внесенні в магнітне поле індукція магнітного поля атома стає спрямованої проти зовнішнього поля. Діамагнетик виштовхується із зовнішнього магнітного поля.

У парамагнітнихматеріалів магнітна індукція електронів в атомах повністю не скомпенсована, і атом в цілому виявляється подібним до маленького постійного магніту. Зазвичай у речовині всі ці дрібні магніти орієнтовані довільно, і сумарна магнітна індукція всіх полів дорівнює нулю. Якщо помістити парамагнетик у зовнішнє магнітне поле, то всі маленькі магніти - атоми повернуться у зовнішньому магнітному полі подібно до стрілок компаса і магнітне поле в речовині посилюється ( n >= 1).

Феромагнітниминазиваються такі матеріали, в яких n 1. У феромагнітних матеріалах створюються так звані домени, макроскопічні області мимовільного намагнічування.

У різних доменах індукції магнітних полів мають різні напрями (рис. 61) та у великому кристалі

взаємно компенсують одне одного. При внесенні феромагнітного зразка у зовнішнє магнітне поле відбувається зміщення кордонів окремих доменів так, що обсяг доменів, орієнтованих на зовнішнє поле, збільшується.

Зі збільшенням індукції зовнішнього поля 0 зростає магнітна індукція намагніченої речовини. При деяких значеннях 0 індукція припиняє різке зростання. Це називається магнітним насиченням.

Характерна особливість феромагнітних матеріалів - явище гістерези, яке полягає у неоднозначній залежності індукції у матеріалі від індукції зовнішнього магнітного поля при його зміні.

Петля магнітної гістерези - замкнута крива (cdc`d`c), що виражає залежність індукції в матеріалі від амплітуди індукції зовнішнього поля при періодичній досить повільній зміні останнього (рис. 62).

Петля гістерезису характеризується наступними величинами Bs, Br, Bc. B s - максимальне значення індукції матеріалу при 0s; r - залишкова індукція, що дорівнює значенню індукції в матеріалі при зменшенні індукції зовнішнього магнітного поля від B 0s до нуля; -В с і В с - коерцитивна сила - величина, що дорівнює індукції зовнішнього магнітного поля, необхідного для зміни індукції в матеріалі від залишкової до нуля.

Для кожного феромагнетика існує така температура (точка Кюрі (Ж. Кюрі, 1859-1906), вище за яку феромагнетик втрачає свої феромагнітні властивості.

Існує два способи приведення намагніченого феромагнетика в розмагнічений стан: а) нагріти вище точки Кюрі та охолодити; б) намагнічувати матеріал змінним магнітним полем з амплітудою, що повільно спадає.

Феромагнетики, що мають малу залишкову індукцію і коерцитивну силу, називаються магнітом'якими. Вони знаходять застосування в пристроях, де феромагнетику доводиться часто перемагнічуватись (сердечники трансформаторів, генераторів та ін.).

Магнітожорсткі феромагнетики, що мають велику коерцитивну силу, застосовуються для виготовлення постійних магнітів.