Магнитное поле, его свойства и характеристики.
Магнитное поле — форма существования материи, окружающей движущиеся электрические заряды (проводники с током, постоянные магниты).
Это название обусловлено тем, что, как обнаружил в 1820 году датский физик Ханс Эрстед, оно оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку. Опыт Эрстеда: под проволокой с током помещалась магнитная стрелка, вращающаяся на игле. При включении тока она устанавливалась перпендикулярно проволоке; при изменении направления тока поворачивалась в противоположную сторону.
Основные свойства магнитного поля:
1) порождается движущимися электрическими зарядами, проводниками с током, постоянными магнитами и переменным электрическим полем;
2) действует с силой на движущиеся электрические заряды, проводники с током, намагниченные тела;
3) переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле.
Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер и должно иметь векторную силовую характеристику. Ее обозначают 
Магнитное поле изображается графически с помощью магнитных силовых линий или линий магнитной индукции. Магнитными силовыми линиями называются линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются железные опилки или оси маленьких магнитных стрелок. В каждой точке такой линии вектор направлен по касательной.
Линии магнитной индукции всегда замкнуты, что говорит об отсутствии в природе магнитных зарядов и вихревом характере магнитного поля.
Условно они выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Густота линий выбирается так, чтобы число линий через единицу площади, перпендикулярную магнитному полю, было пропорционально величине магнитной индукции.
|
 |
Направление линий определяется правилом правого винта. Соленоид — катушка с током, витки которой расположены вплотную друг к другу, а диаметр витка много меньше длины катушки.
в любой точке постоянен.Магнитное поле соленоида аналогично магнитному полю полосового магнита.
Соленоид с током представляет собой электромагнит.
Опыт показывает, что для магнитного поля, как и для электрического, справедлив
Вектор вводится одним из 3-х способов:
а) из закона Ампера;
б) по действию магнитного поля на рамку с током;
в) из выражения для силы Лоренца.
Ампер экспериментально установил, что сила 
с током I, находящегося в магнитном поле, прямо пропорциональна силе
тока I и векторному произведению элемента длины на магнитную индукцию :
— закон Ампера
может быть найдено согласно общим правилам векторного произведения, откуда следует правило левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы магнитные силовые линии входили в нее, а 4 вытянутых пальца направить по току, то отогнутый большой палец покажет направление силы.
Сила, действующая на провод конечной длины, найдется интегрированием по всей длине.
При I = const, B=const, F = B×I×l×sina
Если a =900, F = B×I×l
Индукция магнитного поля — векторная физическая величина, численно равная силе, действующей в однородном магнитном поле на проводник единичной длины с единичной силой тока, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям.
1Тл — индукция однородного магнитного поля, в котором на проводник длиной 1м с током в 1А, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям, действует сила 1Н.
До сих пор мы рассматривали макротоки, текущие в проводниках. Однако, согласно предположению Ампера, в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах. Эти микроскопические молекулярные токи создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в полях макротоков, создавая в теле дополнительное магнитное поле. Вектор
в различных средах имеет разные значения.
Магнитное поле макротоков описывается вектором магнитной напряженности 
Для однородной изотропной среды
,
m0= 4p×10-7Гн/м — магнитная постоянная, m0= 4p×10-7Н/А2,
m — магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков 
изменяется за счет поля микротоков среды.
Дата добавления: 2016-11-04; просмотров: 10416;
Похожие статьи:
Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение
При подключении к двум параллельным проводникам электрического тока, они будут притягиваться или отталкиваться, в зависимости от направления (полярности) подключенного тока. Это объясняется явлением возникновения материи особого рода вокруг этих проводников. Эта материя называется магнитное поле (МП). Магнитной силой называется сила, с которой проводники действуют друг на друга.
Теория магнетизма возникла еще в древности, в античной цивилизации Азии. В Магнезии в горах нашли особую породу, куски которой могли притягиваться между собой. По названию места эту породу назвали «магнетиками». Стержневой магнит содержит два полюса. На полюсах особенно сильно обнаруживаются его магнитные свойства.
Магнит, висящий на нитке, своими полюсами будет показывать стороны горизонта. Его полюса будут повернуты на север и юг. На таком принципе действует устройство компаса. Разноименные полюсы двух магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются.
Ученые обнаружили, что намагниченная стрелка, находящаяся возле проводника, отклоняется при прохождении по нему электрического тока. Это говорит о том, что вокруг него образуется МП.
Магнитное поле оказывает влияние на:
- Перемещающиеся электрические заряды.
- Вещества, называемые ферромагнетиками: железо, чугун, их сплавы.
Постоянные магниты – тела, имеющие общий магнитный момент заряженных частиц (электронов).
1 — Южный полюс магнита
2 — Северный полюс магнита
3 — МП на примере металлических опилок
4 — Направление магнитного поля
Силовые линии появляются при приближении постоянного магнита к бумажному листу, на который насыпан слой железных опилок. На рисунке четко видны места полюсов с ориентированными силовыми линиями.
Источники магнитного поля
- Электрическое поле, меняющееся во времени.
- Подвижные заряды.
- Постоянные магниты.
С детства нам знакомы постоянные магниты. Они использовались в качестве игрушек, которые притягивали к себе различные металлические детали. Их прикрепляли к холодильнику, они были встроены в различные игрушки.
Электрические заряды, которые находятся в движении, чаще всего имеют больше магнитной энергии, по сравнению с постоянными магнитами.
Свойства
- Главным отличительным признаком и свойством магнитного поля является относительность. Если неподвижно оставить заряженное тело в некоторой системе отсчета, а рядом расположить магнитную стрелку, то она укажет на север, и при этом не «почувствует» постороннего поля, кроме поля земли. А если заряженное тело начать двигать возле стрелки, то вокруг тела появится МП. В результате становится ясно, что МП формируется только при передвижении некоторого заряда.
- Магнитное поле способно воздействовать и влиять на электрический ток. Его можно обнаружить, если проконтролировать движение заряженных электронов. В магнитном поле частицы с зарядом отклонятся, проводники с протекающим током будут перемещаться. Рамка с подключенным питанием тока станет поворачиваться, а намагниченные материалы переместятся на некоторое расстояние. Стрелка компаса чаще всего окрашивается в синий цвет. Она является полоской намагниченной стали. Компас ориентируется всегда на север, так как у Земли есть МП. Вся планета – это как большой магнит со своими полюсами.
Магнитное поле не воспринимается человеческими органами, и может фиксироваться только особыми приборами и датчиками. Оно бывает переменного и постоянного вида. Переменное поле обычно создается специальными индукторами, которые функционируют от переменного тока. Постоянное поле формируется неизменным электрическим полем.
Основные правила
Правило буравчика
Силовая линия изображается в плоскости, которая расположена под углом 900 к пути движения тока таким образом, чтобы в каждой точке сила была направлена по касательной к линии.
Чтобы определить направление магнитных сил, нужно вспомнить правило буравчика с правой резьбой.
Буравчик нужно расположить по одной оси с вектором тока, рукоятку вращать таким образом, чтобы буравчик двигался в сторону его направления. В этом случае ориентация линий определится вращением рукоятки буравчика.
Правило буравчика для кольца
Поступательное перемещение буравчика в проводнике, выполненном в виде кольца, показывает, как ориентирована индукция, вращение совпадает с течением тока.
Силовые линии имеют свое продолжение внутри магнита и не могут быть разомкнутыми.
Магнитное поле разных источников суммируются между собой. При этом они создают общее поле.
Магниты с одинаковыми полюсами отталкиваются, а с разными – притягиваются. Значение силы взаимодействия зависит от удаленности между ними. При приближении полюсов сила возрастает.
Параметры магнитного поля
- Сцепление потоков (Ψ).
- Вектор магнитной индукции (В).
- Магнитный поток (Ф).
Интенсивность магнитного поля вычисляется размером вектора магнитной индукции, которая зависит от силы F, и формируется током I по проводнику, имеющему длину l: В = F / (I * l).
Магнитная индукция измеряется в Тесла (Тл), в честь ученого, изучавшего явления магнетизма и занимавшегося их методами расчета. 1 Тл равна индукции магнитного потока силой 1 Н на длине 1 м прямого проводника, находящегося под углом 900 к направлению поля, при протекающем токе в один ампер:
1 Тл = 1 х Н / (А х м).
Правило левой руки
Правило находит направление вектора магнитной индукции.
Если ладонь левой руки разместить в поле, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь из северного полюса под 900, а 4 пальца разместить по течению тока, большой палец покажет направление магнитной силы.
Если проводник находится под другим углом, то сила будет прямо зависеть от тока и проекции проводника на плоскость, находящуюся под прямым углом.
Сила не зависит от вида материала проводника и его сечения. Если проводник отсутствует, а заряды движутся в другой среде, то сила не изменится.
При направлении вектора магнитного поля в одну сторону одной величины, поле называется равномерным. Различные среды влияют на размер вектора индукции.
Магнитный поток
Магнитная индукция, проходящая по некоторой площади S и ограниченная этой площадью, является магнитным потоком.
Если площадь имеет наклон на некоторый угол α к линии индукции, магнитный поток снижается на размер косинуса этого угла. Наибольшая его величина образуется при нахождении площади под прямым углом к магнитной индукции:
Ф = В * S.
Магнитный поток измеряется в такой единице, как «вебер», который равен протеканием индукции величиной 1 Тл по площади в 1 м2.
Потокосцепление
Такое понятие применяется для создания общего значения магнитного потока, который создан от некоторого числа проводников, находящихся между магнитными полюсами.
В случае, когда одинаковый ток I протекает по обмотке с количеством витков n, общий магнитный поток, образованный всеми витками, является потокосцеплением.
Потокосцепление Ψ измеряется в веберах, и равно: Ψ = n * Ф.
Магнитные свойства
Магнитная проницаемость определяет, насколько магнитное поле в определенной среде ниже или выше индукции поля в вакууме. Вещество называют намагниченным, если оно образует свое магнитное поле. При помещении вещества в магнитное поле у него появляется намагниченность.
Ученые определили причину, по которой тела получают магнитные свойства. Согласно гипотезе ученых внутри веществ есть электрические токи микроскопической величины. Электрон обладает своим магнитным моментом, который имеет квантовую природу, движется по некоторой орбите в атомах. Именно такими малыми токами определяются магнитные свойства.
Если токи движутся беспорядочно, то магнитные поля, вызываемые ими, самокомпенсируются. Внешнее поле делает токи упорядоченными, поэтому формируется магнитное поле. Это является намагниченностью вещества.
Различные вещества можно разделить по свойствам взаимодействия с магнитными полями. Их разделяют на группы:
- Парамагнетики – вещества, имеющие свойства намагничивания в направлении внешнего поля, обладающие низкой возможностью магнетизма. Они имеют положительную напряженность поля. К таким веществам относят хлорное железо, марганец, платину и т. д.
- Ферримагнетики – вещества с неуравновешенными по направлению и значению магнитными моментами. В них характерно наличие некомпенсированного антиферромагнетизма. Напряженность поля и температура влияет на их магнитную восприимчивость (различные оксиды).
- Ферромагнетики – вещества с повышенной положительной восприимчивостью, зависящей от напряженности и температуры (кристаллы кобальта, никеля и т. д.).
- Диамагнетики – обладают свойством намагничивания в противоположном направлении внешнего поля, то есть, отрицательное значение магнитной восприимчивости, не зависящая от напряженности. При отсутствии поля у этого вещества не будет магнитных свойств. К таким веществам относятся: серебро, висмут, азот, цинк, водород и другие вещества.
- Антиферромагнетики – обладают уравновешенным магнитным моментом, вследствие чего образуется низкая степень намагничивания вещества. У них при нагревании осуществляется фазовый переход вещества, при котором возникают парамагнитные свойства. При снижении температуры ниже определенной границы, такие свойства появляться не будут (хром, марганец).
Рассмотренные магнетики также классифицируются еще по двум категориям:
- Магнитомягкие материалы. Они обладают низкой коэрцитивной силой. При маломощных магнитных полях они могут войти в насыщение. При процессе перемагничивания у них наблюдаются незначительные потери. Вследствие этого такие материалы используются для производства сердечников электрических устройств, функционирующих на переменном напряжении (асинхронный электродвигатель, генератор, трансформатор).
- Магнитотвердые материалы. Они обладают повышенной величиной коэрцитивной силы. Чтобы их перемагнитить, потребуется сильное магнитное поле. Такие материалы используются в производстве постоянных магнитов.
Магнитные свойства различных веществ находят свое использование в технических проектах и изобретениях.
Магнитные цепи
Объединение нескольких магнитных веществ называется магнитной цепью. Они являются подобием электрических цепей и определяются аналогичными законами математики.
На базе магнитных цепей действуют электрические приборы, индуктивности, трансформаторы. У функционирующего электромагнита поток протекает по магнитопроводу, изготовленному из ферромагнитного материала и воздуху, который не является ферромагнетиком. Объединение этих компонентов является магнитной цепью. Множество электрических устройств в своей конструкции содержат магнитные цепи.
Похожие темы:
1 Вопрос Магнитное поле, его свойства и характеристики.
Это название обусловлено тем, что, как обнаружил в 1820 году датский физик Ханс Эрстед, оно оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку. Опыт Эрстеда: под проволокой с током помещалась магнитная стрелка, вращающаяся на игле. При включении тока она устанавливалась перпендикулярно проволоке; при изменении направления тока поворачивалась в противоположную сторону.
Основные свойства магнитного поля:
порождается движущимися электрическими зарядами, проводниками с током, постоянными магнитами и переменным электрическим полем;
действует с силой на движущиеся электрические заряды, проводники с током, намагниченные тела;
переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле.
Из
опыта Эрстеда следует, что магнитное
поле имеет направленный характер и
должно иметь векторную силовую
характеристику. Ее обозначают 
и
называют магнитной индукцией.
Магнитное поле изображается графически с помощью магнитных силовых линий или линий магнитной индукции.Магнитными силовыми
направлен
по касательной.Линии магнитной индукции всегда замкнуты, что говорит об отсутствии в природе магнитных зарядов и вихревом характере магнитного поля.
Условно они выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Густота линий выбирается так, чтобы число линий через единицу площади, перпендикулярную магнитному полю, было пропорционально величине магнитной индукции.
Магнитное поле соленоида с током. Направление линий определяется правилом правого винта. Соленоид — катушка с током, витки которой расположены вплотную друг к другу, а диаметр витка много меньше длины катушки.
Магнитное
поле внутри соленоида является однородным.
Магнитное поле называется однородным,
если вектор 
в
любой точке постоянен.
Магнитное поле соленоида аналогично магнитному полю полосового магнита.
Соленоид
с током представляет собой электромагнит.
Опыт показывает, что для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: индукция магнитного поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме индукций магнитных полей, создаваемых каждым током или зарядом:
Вектор 
вводится
одним из 3-х способов:
а) из закона Ампера;
б) по действию магнитного поля на рамку с током;
в) из выражения для силы Лоренца.
Ампер
экспериментально установил, что сила 
с
которой магнитное поле действует на
элемент проводника
с
током I, находящегося в магнитном поле,
прямо пропорциональна силетока I и
векторному произведению элемента
длины
на
магнитную индукцию
:
—
закон Ампера
Направление
вектора 
может
быть найдено согласно общим правилам
векторного произведения, откуда следует
правило левой руки: если ладонь левой
руки расположить так, чтобы магнитные
силовые линии входили в нее, а 4 вытянутых
пальца направить по току, то отогнутый
большой палец покажет направление силы.
Сила, действующая на провод конечной длины, найдется интегрированием по всей длине.
При I = const, B=const, F = BIlsin
Если =900, F = BIl
Индукция магнитного поля — векторная физическая величина, численно равная силе, действующей в однородном магнитном поле на проводник единичной длины с единичной силой тока, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям.
1Тл — индукция однородного магнитного поля, в котором на проводник длиной 1м с током в 1А, расположенный перпендикулярно магнитным силовым линиям, действует сила 1Н.
До
сих пор мы рассматривали макротоки,
текущие в проводниках. Однако, согласно
предположению Ампера, в любом теле
существуют микроскопические токи,
обусловленные движением электронов в
атомах. Эти микроскопические молекулярные
токи создают свое магнитное поле и могут
поворачиваться в полях макротоков,
создавая в теле дополнительное магнитное
поле. Вектор 
характеризует
результирующее магнитное поле, создаваемое
всеми макро- и микротоками, т.е. при одном
и том же макротоке вектор
в
различных средах имеет разные значения.
Магнитное
поле макротоков описывается вектором
магнитной напряженности 
.
Для однородной изотропной среды
,
0= 410-7Гн/м — магнитная постоянная, 0= 410-7Н/А2,
—
магнитная проницаемость среды,
показывающая, во сколько раз магнитное
поле макротоков 
изменяется
за счет поля микротоков среды.
5.2. Основные свойства магнитного поля
1) Теорема Гаусса для поля вектора B
Как и электрическое поле, магнитное поле представляют в виде набора силовых линий – направление касательной в каждой точке силовой линии совпадает с направлением B, а густота (плотность) силовых линий пропорциональна его величине (модулю) в данном месте.
Теорема Гаусса для B гласит. Поток вектора B (поток его силовых линий) через замкнутую поверхность равен нулю:
=
0.
(5.9)
Из выражения (5.9) следует:
1 – магнитное поле не имеет источников, т.е. магнитные заряды отсутствуют в отличие от электрического поля;
2 – силовые линии магнитного поля не имеют ни начала, ни конца – они либо замкнуты сами на себя либо через бесконечность, т.е. приходят из бесконечности и в бесконечность уходят;
3 – поток вектора B через поверхность S, ограниченную некоторым замкнутым контуром, не зависит от формы этой поверхности S. Последнее легко понять, если поток представить в виде потока силовых линий.
2) Теорема о циркуляции для поля вектора B (для магнитного поля постоянных токов в вакууме)
Циркуляция вектора B по произвольному замкнутому контуру Г равна произведению μοна алгебраическую сумму токов, охватываемых контуром Г:
= μοI,
(5.10)
Г
где I = 
, причем Ik – величины
алгебраические. Ток считается
положительным, если его направление
связано с выбранным направлением обхода
по контуру правилом правого винта. Ток
противоположного направления считается
отрицательным.
Если
токи распределены по объему, то ток I = 
.
Здесь интеграл берется по произвольной
поверхности S
натянутой на конур Г, j –
плотность
тока в точке элемента dS поверхности
S,
причем вектор dS образует с направлением
обхода
по контуру правовинтовую систему. Таким
образом, выражение (5.10) в общем случае
имеет вид:
= μο 
(5.11)
В отличие от электрического поля циркуляция B по замкнутому контуру отлична от нуля, а это означает, что поле B не потенциально. Поле B – вихревое или соленоидальное.
5.3. Силы, действующие на проводник стоком
1) Сила dF, действующая на элемент объема dV проводника с током со стороны магнитного поля легко получается из выражения (5.1) для аналогичной силы, действующей на движущийся заряд, если заряд q заменить на ρdV и далее точно так же, как при выводе закона Био–Савара выражения (5.5), (5.7) в пункте 5.1. 5):
dF = [jB]dV , (5.12)
и если ток течет по тонкому проводу, то
dF = I[dl, B], (5.13)
где dl – вектор, совпадающий по направлению с током и характеризующий элемент длины тонкого проводника.
Формулы (5.12) и (5.13) выражают закон Ампера. Для получения силы со стороны магнитного поля, действующей на заданный объем проводника или его линейный участок необходимо проинтегрировать, соответственно, (5.12) и (5.13) по элементам тока объема или линейного участка. Силы, действующие на токи в магнитном поле, называют амперовыми или силами Ампера.
2) Сила, действующая на контур с током. Результирующая сила F, которая действует на контур Г стоком I в магнитном поле, определяется из (5.13) как
F = I 
(5.14)
Г
Из
(5.14)
видно, что если поле B однородное, то результирующая сила
равна нулю, т.к. B можно вынести за знак интеграла, а
оставшийся интеграл 
=
0,
поскольку представляет собой сумму
замкнутой цепочки векторов dl (а
не скаляров, когда интеграл равен длине
контура).
Если же магнитное поле неоднородно, то,
в общем случае, результирующая сила
отлична от нуля.
Особый интерес представляет плоский контур (окружность) достаточно малого размера. Такой контур называют элементарным или магнитным диполем, поведение которого, описывается с помощью магнитного момента pm диполя. По определению
pm = ISn, (5.15)
где I – ток в контуре; S – площадь ограниченная контуром диполя; n – нормаль к контуру, направление которой связано с направлением тока в
Рис.14.
контуре правилом правого винта (см. рис.14). В магнитном отношении элементарный контур с током вполне характеризуется его магнитным моментом pm (так же как электрический диполь электрическим моментом ре = ql в электрическом отношении).
Расчет результирующей силы, действующей на магнитный диполь (маленький по размерам) со стороны неоднородного магнитного поля дает
F = pm
, (5.16)
где pm – модуль магнитного момента контура; 
–
производная
вектора B по направлению нормали n или, что то же самое, по направлению
вектора pm .
Выражение
(5.16)
аналогично выражению для силы, действующей
на электрический диполь в электрическом
поле. Из выражения (5.16) видно, что как и
в случае электрического диполя: 1)
в однородном магнитном поле сила равна
нулю, т.к. 
=
0;
2) направление силы F , в общем случае, не совпадает ни с
вектором B , ни с вектором pm ; направление F совпадает с направлением элементарного
приращения вектора B,
взятого в направлении вектора pm в месте расположения контура.
Проекция силы F на какое то интересующее нас направление, например X , равно
Fx = pm
,
(5.17)
где 
– производная проекции вектораB по направлению нормали n к контуру.
3) Момент сил, действующих на контур с током.
Рассмотрим плоский контур с током в однородном магнитном поле B . В этом случае, как мы уже знаем, результирующая сила, действующая на контур со стороны магнитного поля равна нулю. В таком случае, как известно из механики, если результирующая сил равна нулю, то суммарный момент этих сил не зависит от выбора точки 0 , относительно которой определяют моменты этих сил. Тогда результирующий момент M амперовых сил в нашем случае, по определению, будет
M = 
, (5.18)
Где dF – определяется выражением (6.3). Соответствующий расчет по формуле (5.18) (мы его не приводим) дает
M = [pmB], M = pmBsinα, (5.19)
где pm – магнитный момент контура с током (для плоского контура pm=ISn), α – угол между векторами pm и B. Если pm ↑↑ B (α = 0) то момент сил M = 0 и положение контура будет устойчивым, а если pm ↑↓ B то тоже M = 0, но положение контура будет неустойчивым.
4) Работа при перемещении контура с током.
Если контур с током находится в магнитном поле B, то на каждый элемент контура, согласно (5.12) и (5.13), действует амперова сила, следовательно, при перемещении контура эти силы (магнитное поле) будут совершать работу. В случае постоянного магнитного поля эта работа δA при элементарном (малом) перемещении контура с током I , определяется как
δA = IdФ, (5.20)
где dФ – приращение магнитного потока через контур при данном перемещении.
Полная работа амперовых сил при перемещении контура с током от начального положения 1 до конечного положения 2 получаем после соответствующего интегрирования выражения (5.20)
A = 
.
(5.21)
Если при этом перемещении ток I остается постоянным, то
A = I (Ф2 – Ф1), (5.22)
где Ф1 и Ф2 – магнитные потоки через контур в начальном и конечном положениях. Выражение (5.22) дает величину и знак совершаемой работы.
Магнитное поле, характеристика магнитного поля
Для понимания того, что является характеристикой магнитного поля, следует дать определения многим явлениям. При этом заранее нужно вспомнить, как и почему оно появляется. Узнать, что является силовой характеристикой магнитного поля. При этом немаловажно то, что подобное поле может встречаться не только у магнитов. В связи с этим не помешает упомянуть характеристику магнитного поля земли.
Возникновение поля
Для начала следует описать возникновение поля. После можно описать магнитное поле и его характеристики. Оно появляется во время перемещения заряженных частиц. Может влиять на перемещающиеся электрические заряды, в особенности на токопроводящие проводники. Взаимодействие между магнитным полем и движущимися зарядами, либо проводниками, по которым течет ток, происходит благодаря силам, именуемым электромагнитными.
Интенсивность или силовая характеристика магнитного поля в определенной пространственной точке определяются с помощью магнитной индукции. Последняя обозначается символом В.
Графическое представление поля
Магнитное поле и его характеристики могут быть представлены в графической форме с помощью линий индукции. Данным определением называют линии, касательные к которым в любой точке будут совпадать с направлением вектора у магнитной индукции.
Названные линии входят в характеристику магнитного поля и применяются для определения его направления и интенсивности. Чем выше интенсивность магнитного поля, тем больше данных линий будет проведено.
Что такое магнитные линии
Магнитные линии у прямолинейных проводников с током имеют форму концентрической окружности, центр которой располагается на оси данного проводника. Направление магнитных линий возле проводников с током определяется по правилу буравчика, которое звучит так: если буравчик будет расположен так, что он будет ввинчиваться в проводник по направлению тока, тогда направление обращения рукоятки соответствует направлению магнитных линий.
У катушки с током направление магнитного поля будет определяться также по правилу буравчика. Также требуется вращать рукоятку по направлению тока в витках соленоида. Направление линий магнитной индукции будет соответствовать направлению поступательного движения буравчика.
Определение однородности и неоднородности является основной характеристикой магнитного поля.
Создаваемое одним током, при равных условиях, поле будет различаться по своей интенсивности в разных средах из-за различающихся магнитных свойств в этих веществах. Магнитные свойства среды характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью. Измеряется в генри на метр (г/м).
В характеристику магнитного поля входит абсолютная магнитная проницаемость вакуума, называемая магнитной постоянной. Значение, определяющее, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость среды будет отличаться от постоянной, именуется относительной магнитной проницаемостью.
Магнитная проницаемость веществ
Это безразмерная величина. Вещества, имеющие значение проницаемости менее единицы, зовутся диамагнитными. В данных веществах поле будет слабее, чем в вакууме. Данные свойства присутствуют у водорода, воды, кварца, серебра и др.
Среды с магнитной проницаемостью, превышающей единицу, зовутся парамагнитными. В данных веществах поле будет сильнее, чем в вакууме. К данным средам и веществам относят воздух, алюминий, кислород, платину.
В случае с парамагнитными и диамагнитными веществами значение магнитной проницаемости не будет зависеть от напряжения внешнего, намагничивающего поля. Это означает, что величина является постоянной для определенного вещества.
К особой группе относятся ферромагнетики. У данных веществ магнитная проницаемость будет достигать нескольких тысяч и более. У названных веществ, имеющих свойство намагничиваться и усиливать магнитное поле, существует широкое использование в электротехнике.
Напряженность поля
Для определения характеристик магнитного поля вместе с вектором магнитной индукции может применяться значение, именуемое напряженностью магнитного поля. Данный термин является векторной величиной, определяющей интенсивность внешнего магнитного поля. Направление магнитного поля в среде с одинаковыми свойствами по всем направлениям вектор напряженности будет совпадать с вектором магнитной индукции в точке поля.
Сильные магнитные свойства у ферромагнитов объясняются присутствием в них произвольно намагниченных малых частей, которые могут быть представлены в виде малых магнитов.
С отсутствующим магнитным полем ферромагнитное вещество может не иметь выраженных магнитных свойств, поскольку поля доменов приобретают разную ориентацию, и их общее магнитное поле равняется нулю.
По основной характеристике магнитного поля, если ферромагнит будет помещен во внешнее магнитное поле, к примеру, в катушку с током, то под влиянием наружного поля домены развернутся по направлению внешнего поля. Притом магнитное поле у катушки усилится, и магнитная индукция увеличится. Если же наружное поле достаточно слабое, то перевернётся лишь часть от всех доменов, магнитные поля которых по направлению близятся к направлению наружного поля. На протяжении увеличения силы внешнего поля число повернутых доменов будет возрастать, и при определенном значении напряжения внешнего поля почти все части будут развернуты так, что магнитные поля расположатся по направлению наружного поля. Данное состояние именуется магнитным насыщением.
Связь магнитной индукции и напряженности
Взаимосвязанность магнитной индукции ферромагнитного вещества и напряженности внешнего поля может изображаться при помощи графика, называемого кривой намагничивания. В месте изгиба графика кривой скорость возрастания магнитной индукции уменьшается. После изгиба, где напряженность достигает определённого показателя, происходит насыщение, и кривая незначительно поднимается, постепенно приобретая форму прямой. На данном участке индукция все еще растет, однако достаточно медленно и лишь за счет возрастания напряженности внешнего поля.
Графическая зависимость данных показателя не является прямой, значит, их отношение не постоянно, и магнитная проницаемость материала не постоянный показатель, а находится в зависимости от наружного поля.
Изменения магнитных свойств материалов
При увеличении силы тока до полного насыщения в катушке с ферромагнитным сердечником и последующим ее уменьшением кривая намагничивания не будет совпадать с кривой размагничивания. С нулевой напряженностью магнитная индукция не будет иметь такое же значение, а приобретет некоторый показатель, именуемый остаточной магнитной индукцией. Ситуация с отставанием магнитной индукции от намагничивающей силы именуется гистерезисом.
Для полного размагничивания ферромагнитного сердечника в катушке требуется дать ток обратной направленности, который создаст необходимую напряженность. Для разных ферромагнитных веществ необходим отрезок различной длины. Чем он больше, тем больший объем энергии необходим для размагничивания. Значение, при котором происходит полное размагничивание материала, именуется коэрцитивной силой.
При дальнейшем увеличении тока в катушке индукция вновь увеличится до показателя насыщения, но с иным направлением магнитных линий. При размагничивании в обратном направлении будет получена остаточная индукция. Явление остаточного магнетизма применяется при создании постоянных магнитов из веществ с большим показателем остаточного магнетизма. Из веществ, имеющих способность к перемагничиванию, создаются сердечники для электрических машин и приборов.
Правило левой руки
Сила, влияющая на проводник с током, обладает направлением, определяемым по правилу левой руки: при расположении ладони девой руки таким образом, что магнитные линии входят в нее, и четыре пальца вытянуты по направлению тока в проводнике, отогнутый большой палец укажет направление силы. Данная сила перпендикулярна вектору индукции и току.
Перемещающийся в магнитном поле проводник с током считается прообразом электродвигателя, который изменяет электрическую энергию в механическую.
Правило правой руки
Во время движения проводника в магнитном поле внутри него индуцируется электродвижущая сила, которая имеет значение, пропорциональное магнитной индукции, задействованной длине проводника и скорости его перемещения. Данная зависимость называется электромагнитной индукцией. При определении направления индуцированной ЭДС в проводнике используют правило правой руки: при расположении правой руки так же, как в примере с левой, магнитные линии входят в ладонь, а большой палец указывает направление перемещения проводника, вытянутые пальцы укажут направление индуктированной ЭДС. Перемещающийся в магнитном потоке под влиянием внешней механической силы проводник является простейшим примером электрического генератора, в котором преобразуется механическая энергия в электрическую.
Закон электромагнитной индукции может быть сформулирован по-другому: в замкнутом контуре происходит индуцирование ЭДС, при любой смене магнитного потока, охватываемого данным контуром, ЭДЕ в контуре численно равняется скорости смены магнитного потока, который охватывает данный контур.
Данная форма предоставляет усреднённый показатель ЭДС и указывает на зависимость ЭДС не от магнитного потока, а от скорости его изменения.
Закон Ленца
Также нужно вспомнить закон Ленца: ток, индуцируемый при изменении магнитного поля, проходящего через контур, своим магнитным полем препятствует этому изменению. Если витки у катушки пронизываются разными по величине магнитными потоками, то индуцированная по целой катушке ЭДС равняется сумме ЭДЕ в разных витках. Сумма магнитных потоков разных витков катушки именуется потокосцеплением. Единица измерения данной величины, как и магнитного потока, — вебер.
При изменении электрического тока в контуре происходит смена и созданного им магнитного потока. При этом, согласно закону электромагнитной индукции, внутри проводника происходит индуцирование ЭДС. Она появляется в связи со сменой тока в проводнике, потому данное явление называют самоиндукцией, и индуцированная в проводнике ЭДС именуется ЭДС самоиндукции.
Потокосцепление и магнитный поток находятся в зависимости не от одной только силы тока, но и от величины и формы данного проводника, и магнитной проницаемости окружающего вещества.
Индуктивность проводника
Коэффициент пропорциональности именуется индуктивностью проводника. Он обозначает способность проводника создавать потокосцепление при прохождении сквозь него электричества. Это является одним из основных параметров электрических цепей. Для определенных цепей индуктивность является постоянным показателем. Она будет зависеть от величины контура, его конфигурации и магнитной проницаемости среды. При этом сила тока в контуре и магнитный поток не будут иметь значения.
Вышеописанные определения и явления дают объяснение тому, что является магнитным полем. Также приводятся основные характеристики магнитного поля, с помощью которых можно дать определение данного явления.
Магнитное поле, его свойства
Сегодня на уроке мы с вами поговорим о магнитном поле и его свойствах«Исследования Ампера… принадлежат к
числу самых блестящих работ,
которые проведены когда-либо в науке»
Джеймс Клерк Максвелл
Магнитные явления известны людям с глубокой древности. Еще древние греки знали, что существует особый минерал, способный притягивать железные предметы. Это был один из минералов железной руды, который сейчас известен как магнетит. Его залежи находились возле города Магнесии на севере Турции. Слово «магнит» в переводе с греческого означает «камень из Магнесии».
Впервые свойства магнитных материалов использовали в Китае. Именно там в III веке до нашей эры был сконструирован первый компас, и только к XII веку он стал известен в Европе. Первой крупной работой, посвящённой исследованию магнитных явлений, является книга Вильяма Гильберта «О магните», вышедшая в 1600 году.
Известные с древних времен явления притяжения разноименных и отталкивания одноименных полюсов магнита напоминают явление взаимодействия разноименных и одноименных электрических зарядов.
Известно, что между неподвижными электрическими зарядами действуют силы, определяемые законом Кулона. Согласно теории близкодействия это взаимодействие осуществляется так: каждый из зарядов создает электрическое поле, которое действует на другой заряд.
Однако долгое время оставался неразрешимым вопрос о том, могут ли между электрическими зарядами существовать силы иной природы? Рассмотрим опыт, проведенный французским физиком Андре-Мари Ампером в 1820 году.
Ампер взял два гибких провода и укрепил их вертикально, а затем присоединил нижние концы проводов к полюсам источника тока. При таком подключении с проводниками не обнаруживалось никаких изменений. Проводники заряжались от источника тока, но заряды проводников при разности потенциалов между ними в несколько вольт ничтожно малы. Поэтому кулоновские силы никак не проявляются.
Затем Ампер замкнул другие концы проводников небольшой проволочкой так, чтобы в проводниках возникли токи противоположного направления. Оказалось, что при таком подключении проводники начинают отталкиваться друг от друга. Если же поменять направление токов так, чтобы они текли в одном направлении, то проводники начинали притягиваться друг к другу.
Это взаимодействие не может быть вызвано электростатическим полем по следующим причинам. Во-первых, при размыкании цепи взаимодействие проводников прекращается, хотя заряды на проводниках и их электростатические поля остаются. Во-вторых, одноименные заряды (электроны в проводнике) всегда только отталкиваются.
В том же 1820 году Ханс Кристиан Эрстед провел серии опытов. Он располагал проводник над магнитной стрелкой (или под ней) параллельно ее оси. При пропускании тока по проводнику, стрелка начинала отклоняться от своего первоначального положения. При размыкании цепи — стрелка возвращалась в своё первоначальное положение.
Этот опыт наглядно показывает, что в пространстве, окружающем проводник с током, действуют силы, вызывающие поворот магнитной стрелки, то есть силы, подобные тем, которые действуют на нее вблизи постоянных магнитов.
Поэтому взаимодействия между проводниками с током, т.е. взаимодействия между направленно движущимися электрическими зарядами, называют магнитными.
Силы же, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.
Действие магнитных сил было обнаружено в пространстве и вокруг отдельно движущихся заряженных частиц. Русский и советский физик Абрам Фёдорович Иоффе в 1911 году наблюдал отклонение магнитных стрелок, расположенных вблизи пучка движущихся электронов.
Схема его опыта довольно проста. Над и под трубкой, через которую пропускался поток электронов, находились две одинаковые, но противоположно направленные магнитные стрелки, укрепленные на общем кольце, подвешенном на упругой нити. При прохождении в трубке потока электронов магнитные стрелки поворачивались.
Таким образом, многочисленные опыты привели ученых к выводу, что вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов, существует магнитное поле.
Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.
Магнитное поле можно обнаружить и исследовать с помощью железных опилок, магнитной стрелки, а также небольшого контура или рамки с током, причем собственное магнитное поле контура должно быть слабым по сравнению с исследуемым.
Проводники, подводящие ток к контуру, должны быть расположены вблизи друг друга или сплетены между собой, тогда их магнитные поля взаимно компенсируются. Ориентация такого контура характеризуется направлением нормали к контуру. В качестве положительного направления нормали принимается направление, которое связано с током правилом правого винта (или правилом буравчика): если головку винта поворачивать по направлению тока в контуре, то поступательное движение острия винта указывает направление положительной нормали.
Опыт показывает, что если подвесить такой контур на гибких проводниках в магнитном поле, то он повернется и установится определенным образом. Таким образом, магнитное поле оказывает на контур с током ориентирующее действие. При этом положительная нормаль будет направлена к плоскости контура вдоль продольной оси магнитной стрелки, помещенной в ту же точку магнитного поля. Поэтому за направление магнитного поля принимают направление от южного полюса к северному по оси свободно установившейся в магнитном поле стрелки.
Основные выводы:
Вокруг движущихся электрических зарядов, существует магнитное поле.
Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.
Магнитное поле порождается электрическим током и обнаруживается по действию на электрический ток.
Основные характеристики магнитного поля
⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 7Следующая ⇒Магнитное поле это силовое поле, основным свойством которого является способность воздействовать на движущиеся электрические заряды (в т. ч. на проводники с током) , а также на магнитные тела независимо от состояния их движения. Источниками магнитного поля могут быть движущиеся электрические заряды (проводники с током) , намагниченные тела и изменяющиеся во времени электрические поля. Основная количественная характеристика магнитного поля – магнитная индукция В, которая определяет силу, действующую в данной точке поля в вакууме на движущийся электрический заряд и на тела, имеющие магнитный момент.
Магнитная индукция B — это векторная величина определяющая силу действующую на заряженную частицу со стороны магнитного поля. Измеряется в теслах Тл.
µ— относительная магнитная проницаемость — табличная величина (для вакуума = 1)
Магнитный поток Ф — скалярная физическая величина числено равная произведению магнитной индукции на площадь поверхности ограниченной замкнутым контуром. Измеряется в веберах Вб.
Магнитный поток рассчитывается по формуле:
Φmax= B · S
Вопрос №43
Закон Ампера
Закон Ампера — закон взаимодействия постоянных токов. Из закона следует, что параллельные проводники с постоянными токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположном — отталкиваются.
где: B – магнитная индукция; I – сила тока; L – длина участка проводника; sinВ – синус угла между вектором магнитной индукции и проводником.
Вопрос №44
Действие магнитного поля на движущийся электрический заряд. Сила Лоренса
Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца. Онаперпендикулярна векторам магнитной индукции и скорости упорядоченного движения заряженных частиц. Ее направление определяется с помощью того же правила левой руки, что и направление силы Ампера.
Fл = q * v * B * sin(a)
где q — заряд частицы;
V — скорость заряда;
B — индукции магнитного поля;
a — угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции.
Вопрос №45
Магнитные свойства вещества.
Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из сравнительно немногих веществ, но все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т. е. сами становятся источниками магнитного поля.
Магнитные свойства вещества определяют по тому, как эти вещества реагируют на внешнее магнитное поле и каким образом упорядочена их внутренняя структура. Существует три основных класса веществ с резко различающимися магнитными свойствами: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.
Вещества, у которых, подобно железу,
μ≫1
— ферромагнетиками.
Важнейшее свойство ферромагнетиков существование у них остаточного магнетизма. Из ферромагнетиков изготавливают постоянные магниты. Существуют вещества, которые ведут себя подобно железу, т. е. втягиваются в магнитное поле- парамагнитными.
Магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры и уменьшается при ее увеличении. Без намагничивающего поля парамагнетики не создают собственного магнитного поля. Постоянных парамагнетиков нет.
Диамагнетики−вещества, которые выталкиваются из магнитного поля. Магнитная проницаемость практически не зависит от индукции намагничивающего поля и от температуры. При вынесении диамагнетика из внешнего намагничивающего поля он полностью размагничивается и магнитного поля не создает.
Вопрос №46
Магнитные свойства тканей организма.
Ткани организма в значительной степени диамагнитны, подобно воде. Однако в организме имеются и парамагнитные вещества, молекулы и ионы.
Магнетизм биологических объектов,т.е их магнитные мвойства и магнитны поля, создоваемые ими, получили название биомагнетизм.
Биотоки, возникающие в организме, являются источником слабых магнитных полей. В некоторых случаях индукцию таких полей удается измерить. Так, например, на основании регистрации временной зависимости индукции магнитного поля сердца (биотоков сердца) создан диагностический метод — магнитокардиографня.
Магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нем находятся. Это воздействие изучает раздел биофизики, называемыймагнитобиологией.
Вопрос №47
Магнитные свойства вещества
Магнитные поля создаются либо постоянными магнитами, либо токами.
Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из сравнительно немногих веществ, но все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т. е. сами становятся источниками магнитного поля.
Магнитные свойства вещества определяют по тому, как эти вещества реагируют на внешнее магнитное поле и каким образом упорядочена их внутренняя структура. Существует три основных класса веществ с резко различающимися магнитными свойствами: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.
Вещества, у которых, подобно железу,
μ≫1
— ферромагнетиками.
Важнейшее свойство ферромагнетиков существование у них остаточного магнетизма. Из ферромагнетиков изготавливают постоянные магниты. Существуют вещества, которые ведут себя подобно железу, т. е. втягиваются в магнитное поле- парамагнитными.
Магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры и уменьшается при ее увеличении. Без намагничивающего поля парамагнетики не создают собственного магнитного поля. Постоянных парамагнетиков нет.
Диамагнетики−вещества, которые выталкиваются из магнитного поля. Магнитная проницаемость практически не зависит от индукции намагничивающего поля и от температуры. При вынесении диамагнетика из внешнего намагничивающего поля он полностью размагничивается и магнитного поля не создает.
Вопрос №48