Статья находится на проверке у методистов Skysmart. Если вы заметили ошибку, сообщите об этом в онлайн-чат (в правом нижнем углу экрана).
Магнитное поле
Люди только и делают, что говорят про какие-то магнитные бури, привозят магнитики на холодильник, ходят в походы с компасом, который показывает, где север, а где юг. В основе всего этого лежит магнитное поле.
Магнитное поле — это материя, за счет которой осуществляется взаимодействие зарядов.
У нее есть несколько условий для существования:
Магнитное поле создается только движущимся электрическим зарядом? А как же магниты?
Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Электроны могут вращаться по разным орбитам. На каждой орбите может находиться по два электрона, которые вращаются в разных направлениях.
Но у некоторых веществ не все электроны парные, и несколько электронов крутятся в одном и том же направлении, такие вещества называются ферромагнетиками. А поскольку электрон — заряженная частица, вращающиеся вокруг атома в одну и ту же сторону электроны создают магнитное поле. Получается миниатюрный электромагнит.
Если атомы вещества расположены в произвольном порядке, поля этих крошечных магнитиков компенсируют друг друга. Но если эти магнитные поля направить в одну и ту же сторону, то они сложатся — и получится магнит.
У любого магнита есть два полюса — северный и южный.
Любое магнитное поле описывается магнитными линиями, которые выходят из северного поля и приходят в южный. Эти линии всегда замкнуты, даже если у них бесконечная длина. Вот так это выглядит:
Как запомнить, что выходят магнитные линии из северного полюса, а приходят в южный?
Все просто — на севере жить никто не хочет. Многие люди переезжают туда, где теплее, зимуют в теплых краях, в общем — стремятся на юг. Магнитные линии тоже.
Северный полюс обозначается латинской буквой N (от английского слова North). А южный — буквой S (от английского слова South).
Наша планета — это один большой магнит. У нее тоже есть северный и южный полюса. Но есть один нюанс — географические полюса отличаются от физических. Да-да, на северном полюсе, который наверху карты, находится южный физический полюс. Ну и наоборот, на южном географическом — северный физический.
Не паникуйте, компас показывает вам географический полюс. Да, компас — это магнитная стрелка, и должен по идее показывать физический полюс, но стрелка окрашена так, чтобы направившись на северный физический полюс, показать южный географический. Чтобы люди не путались.
Опыт Эрстеда
Самое главное экспериментальное доказательство того, что магнитное поле возникает из-за движения зарядов — это опыт Эрстеда. В1820 году Эрстед опытным путём связал электричество и магнетизм с помощью эксперимента с отклонением стрелки компаса.
Это явление использовали, когда создавали первые амперметры, так как отклонение стрелки пропорционально величине тока. Оно лежит в основе любого электромагнита.
Курсы подготовки к ОГЭ по физике помогут снять стресс перед экзаменом и получить высокий балл.
Что такое магнитное поле и как оно работает, где пригодиться
Подобно тому, как покоящийся электрический заряд действует на другой заряд посредством электрического поля, электрический ток действует на другой ток посредством магнитного поля. Действие магнитного поля на постоянные магниты сводится к действию его на заряды, движущиеся в атомах вещества и создающие микроскопические круговые токи.
Что такое электрическое поле?
В физике под этим понятием принято понимать векторное поле, которое формируется вокруг частиц или тел, обладающих определенным зарядом. Электрическое поле считается одной из двух неотъемлемых составляющих электромагнитного поля.
Чтобы лучше разобраться в природе этого явления, нужно вспомнить, что такое кулоновская сила. Закон Кулона служит для определения степени взаимодействия между каждым из пары точечных электрических зарядов. При этом он учитывает сведения об интервале между ними.
Чтобы разобраться в напряженности явления, стоит обратиться к такому примеру:
Примечательно, что для каждой точки электрического поля параметр кулоновской силы и направление будут отличаться. В силу разницы направлений в разных точках понятие считается векторным.
Что такое магнитное поле?
В качестве лучшего примера стоит привести планету Земля. Ее центральная часть состоит из раскаленного железа. Как и другие металлические объекты, он может перемещать по себе электроны. Именно поэтому наибольшее магнитное поле на Земле формируется самой планетой, или ее центром, если сказать точнее. Если это поле исчезнет, высока вероятность катастроф и даже гибели живых организмов.
Мнение эксперта Карнаух Екатерина Владимировна Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия» В качестве более стандартного примера такого понятия стоит привести электромагниты. Они, как правило, включают провода, которые обмотаны вокруг ферромагнетиков. Эти элементы представляют собой ряд веществ, которые приобретают магнитные характеристики лишь в том случае, если их температура ниже конкретного уровня. Последний параметр называют в физике температурой Кюре. По сути, ферромагнетики считаются уникальными элементами. Они вступают во взаимодействие с магнитным полем, но при этом не несут движущихся зарядов.
В чем разница между электрическим полем и магнитным полем?
Оба рассматриваемых понятия считаются силовыми. Это означает, что в каждой точке пространства, в которой действует поле, на заряд влияет конкретная сила. В другой точке ее значение будет отличаться. Электромагнитное поле оказывает воздействие на заряженные тела и частицы. При этом оно действует на все заряды, тогда как магнитное поле – исключительно на движущиеся.
Существуют вещества, которые взаимодействуют с магнитным полем, но не включают движущиеся заряды. К ним, в частности, относятся ферромагнетики. Этим понятие отличается от электрического поля, поскольку аналогичных веществ для него не существует. У магнитов, естественных или намагниченных тел существует 2 полюса. Их называют южным и северным.
Мнение эксперта Карнаух Екатерина Владимировна Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия» Обычные электрические заряды считаются сравнительно однородными. Они не включают полюсов. При этом для таких зарядов характерно 2 типа – положительные и отрицательные. Знак оказывает воздействие на направление кулоновской силы. Как следствие, это влияет на взаимодействие двух заряженных частиц. Знак не будет оказывать влияния на взаимодействие других заряженных частиц с магнитным полем. Он только поменяет местами полюса.
Отличается и графическое изображение рассматриваемых физических явлений. Линии напряженности электрического поля обладают началом и концом. Их можно визуализировать. В качестве примера стоит привести кристаллы хинина в масле. Линии индукции замкнуты. Их тоже можно визуализировать. Примером этого служат металлические опилки.
Отдельно стоит упомянуть электромагнитное поле, которое обладает характеристиками как электрического, так и магнитного поля. Это означает, что оно способно в определенных условиях поворачивать стрелку компаса и перемещать электрически заряженные частицы. Обе составляющие имеют тесную взаимосвязь друг с другом. Каждая из них отличается своим энергетическим запасом. Именно он влияет на энергию всего электромагнитного поля.
Мнение эксперта Карнаух Екатерина Владимировна Закончила Национальный университет кораблестроения, специальность «Экономика предприятия» Возникновение электромагнитного поля возможно при любом, даже небольшом изменении тока в проводниках. При этом оно оказывает влияние на прилегающие зоны пространства, передает им собственную энергию. В результате в этих местах тоже появляется электромагнитное поле.
Что такое магнитное поле, его свойства
Многие видели и держали в руках магниты. Легко заметить ту силу, которая возникает между ними.
Каждый магнит обладает двумя полюсами: противоположные притягиваются, а одинаковые отталкиваются. Кроме того, магниты всегда окружены областью, где эта сила возникает. Магнитные поля как раз и описывают такую силу.
Таким образом, магнитное поле — это концепция, которую используют, чтобы описать то, как сила распределяется в пространстве вокруг магнита и в нем самом. Впервые на это явление обратил внимание французский ученый Перегрин, а затем исследовали Ампер и Фарадей.
Явление магнетизма и магнитных полей — одна из составляющих электромагнитных сил, которые для природы базовые. Появляется магнитное поле там, где происходит движение зарядов. Когда большие заряды двигаются с высокими скоростями, то сила магнитного поля возрастает.
Магнитное поле вокруг магнита
Какова природа магнитного поля? Существуют способы, которые организовывают движение зарядов так, чтобы они такое поле порождали. Например:
Каждый кусочек любого материала состоит из миллиардов атомов. Когда они ориентируются в пространстве произвольно, то их поле угасает, даже при наличии непарных электронов. Только в стабильных веществах можно получить постоянную ориентацию электронов, то есть постоянный магнит или ферромагнетик.
Некоторым материалам для этой цели необходим внешний источник магнитного поля. Оно способно сориентировать вращение электронов и задать им нужное направление, но стоит исчезнуть внешнему полю, и общая ориентация тоже пропадет. Такие материалы получили название парамагнетиков.
Хороший пример парамагнетика — металлическая дверца холодильников. Сама по себе она не магнит, но может притягивать приложенные к ней магниты. Это свойство многие используют, когда с помощью магнита крепят к дверце холодильника список покупок или записку.
Экспериментально подтвержденные свойства магнитного поля таковы:
Таким образом, магнитное поле, определение которому дали выше, — это явление загадочное и невидимое, но в то же время вполне объяснимое.
В чём измеряется магнитное поле?
Магнитное поле является векторной величиной и для его измерения/определения нужно знать его направление и силу.
Для определения направления можно положить рядом с магнитным предметом магнитный компас. Таким образом, стрелка компаса остановится вдоль силовой линии.
Сила магнитного поля измеряется:
1. Либо в СИ в единицах Тесла (Тл) или микротесла (мкТл)
2. Либо в единицах Гаусс (Гс) или миллигаусс (мГс), до сих пор используется экспериментально.
Как создаётся магнитное поле?
Магнитные поля создаются движущимися электрически заряженными частицами, т.е. поле появляется там, где движутся электрические заряды. Например, пропуская электрический ток по проводнику.
Другой способ — комбинировать собственные магнитные поля электронов, что случается в некоторых материалах. Их называют постоянными магнитами (например, магнитики на наших холодильниках).
Если очень больший заряд будет двигаться с ещё большей скоростью, то и сила его магнитного поля тоже возрастёт.
Характеристики магнитного поля
Магнитная индукция (B)
Это интенсивность магнитного поля. Чем сильнее магнит или электромагнит создаёт магнитное поле, тем больше индукция.
Формула: B = Ф / S.cos ()
Магнитный поток (Ф)
Магнитная индукция (B) проходит через определённую поверхность (с площадью S), и индукция внутри неё будет значиться как магнитный поток (Ф). Формула: Ф = BS.
Это общее число магнитных силовых линий, которые пронизывают определённую ограниченную поверхность.
Магнитная проницаемость
Ещё магнитная индукция зависит и от среды, где создано магнитное поле. Эту величину характеризует магнитная проницаемость. Среда с большей магнитной проницаемостью создаст магнитное поле с большей индукцией.
Распространение магнитного поля
Магнитным полем называют одну из форм проявления электромагнетизма: поле, оказывающее воздействие на заряды, которые перемещаются, а также на намагниченные тела в разных состояниях.
Магнитное поле создают источники в виде:
Интенсивность магнитного поля определяют с помощью магнитной индукцией. Эта величина соответствует приложенной силе, с которой она оказывает воздействие на проводник длиной один метр с протекающим по нему током в 1 А. Единица измерения магнитной индукции является 1 Тл (тесла).
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Эмпирический способ нахождения скорости электромагнитных волн
Скорость, с которой распространяются электромагнитные волны, можно определить эмпирическим методом. При этом изучают неподвижные волны, полученные в цепи. К примеру, такую картину можно наблюдать, когда выход генератора подсоединен к проводам линии через конденсаторы. Во время работы генератора между проводами возникают колебания напряжения, что свидетельствует о наличии колебаний электрического поля. Таким образом образуется электромагнитная волна.
Понять интенсивность колебаний в разных точках линии можно, если включить лампы накаливания. Благодаря подобному опыту, удается выяснить, что возникновение стоячих волн в линии обусловлено определенной частотой генератора, совпадающей с частотой собственных колебаний линий.
Проводя измерения расстояния (△x), на которое удалены соседние узлы в стоячей волне, можно сделать вывод о том, что данная величина равна 1/2 длины волны (λ). Если измерить ν, то есть частоту колебаний генератора, то можно определить скорость распространения электромагнитной волны по формуле:
Опыт Эрстеда
Самое главное экспериментальное доказательство того, что магнитное поле возникает из-за движения зарядов — это опыт Эрстеда. В1820 году Эрстед опытным путём связал электричество и магнетизм с помощью эксперимента с отклонением стрелки компаса.
Это явление использовали, когда создавали первые амперметры, так как отклонение стрелки пропорционально величине тока. Оно лежит в основе любого электромагнита.
Магнитное поле играет очень большую роль в электротехнике и электронике. Без магнитного поля не функционировали бы герконы, электромагнитные реле, соленоиды, катушки индуктивности, дроссели, трансформаторы, двигатели, динамики, генераторы электрической энергии да и вообще много чего.
Природа магнетизма
Согласно одной из легенд, когда-то давным-давно жил в Греции пастух по имени Магнес. И вот шел он как-то со своим стадом овец, присел на камень и обнаружил, что конец его посоха, сделанный из железа, стал притягиваться к этому камню. С тех пор стали называть этот камень магнетит в честь Магнеса. Этот камень представляет из себя оксид железа.
Если такой камень положить на деревянную доску на воду или подвесить на нитке, то он всегда выстраивался в определенном положении. Один его конец всегда показывал на СЕВЕР, а другой — на ЮГ.
Этим свойством камня пользовались древние цивилизации. Поэтому, это был своего рода первый компас. Потом уже стали обтачивать такой камень и делать из разные фигурки. Например, так выглядел китайский древний компас, ложка которого была сделана из того самого магнетита. Ручка у этой ложки всегда показывала на ЮГ.
Ну а далее дело шло за практичностью и маленькими габаритами. Из магнетита вытачивали маленькие стрелки, которые подвешивали на тонкую иглу посередине. Так стали появляться первые малогабаритные компасы.
Древние цивилизации, конечно, не знали еще что такое север и юг. Поэтому, одну сторону магнетита они назвали северным полюсом (North), а противоположный конец — южным (South). Названия на английском очень легко запомнить, если кто смотрел американский мультфильм «Южный парк», он же Сауз (South) парк).
Магнитные линии и магнитный поток
Вокруг магнита экспериментальным путем были обнаружены магнитные силовые линии. Эти магнитные линии создают так называемое магнитное поле.
Как вы могли заметить на рисунке, концентрация магнитных силовых линий на самых краях магнита намного больше, чем в его середине. Это говорит о том, что магнитное поле является более сильным именно на краях магнита, а в его середине практически равна нулю. Направлением магнитных силовых линий считается направление от севера к югу.
Ошибочно считать, что магнитные силовые линии начинают свое движение от северного полюса и заканчивают свой век на южном. Это не так. Магнитные линии — они замкнуты и непрерывны. В магните это будет выглядеть примерно так.
Если приблизить два разноименных полюса, то произойдет притягивание магнитов
Если же приблизить одноименными полюсами, то произойдет их отталкивание
Итак, ниже важные свойства магнитных силовых линий.
Магнитные силовые линии, которые образуют магнитное поле, называют также магнитным потоком.
Итак, давайте рассмотрим два рисунка и ответим себе на вопрос, где плотность магнитного потока будет больше? На рисунке «а» или на рисунке «б»?
Видим, что на рисунке «а» мало силовых магнитных линий, а на рисунке «б» их концентрация намного больше. Отсюда можно сделать вывод, что плотность магнитного потока на рисунке «б» больше, чем на рисунке «а».
В физике формула магнитного потока записывается как
Ф — магнитный поток, Вебер
В — плотность магнитного потока, Тесла
а — угол между перпендикуляром n (чаще его зовут нормалью) и плоскостью S, в градусах
S — площадь, через которую проходит магнитный поток, м 2
Что же такое 1 Вебер? Один вебер — это магнитный поток, который создается полем индукцией 1 Тесла через площадку 1м 2 расположенной перпендикулярно направлению магнитного поля.
Напряженность магнитного поля
Формула напряженности
Слышали ли вы когда-нибудь такое выражение: «напряженность между ними все росла и росла». То есть по сути напряженность — это что-то невидимое, какая-то сдерживающая сила, энергия. Здесь почти все то же самое. Напряженностью магнитного поля также часто называют силой магнитного поля. Напряженность магнитного поля напрямую зависит от плотности магнитного потока и выражается формулой
H — напряженность магнитного поля, Ампер/метр
B — плотность магнитного потока, Тесла
Эта формула работает только тогда, когда между витками катушки находится воздух, либо вакуум. Более крутая формула выглядит вот так.
μ — это относительная магнитная проницаемость.
У разных веществ она разная
Напряженность магнитного поля проводника с током
Итак, имеем какой-либо проводник, по которому течет электрический ток.
Для того, чтобы вычислить напряженность магнитного поля на каком-то расстоянии от проводника при условии, что проводник находится в воздушном пространстве либо в вакууме, достаточно воспользоваться формулой
H — напряженность магнитного поля, Ампер/метр
I — сила тока, текущая через проводник, Ампер
r — расстояние до точки, в которой измеряется напряженность, метр
Магнитное поле проводника с током
Оказывается, если через какой-либо проводник пропустить электрический ток, то вокруг проводника образуется магнитное поле.
Здесь можно вспомнить знаменитое правило буравчика, но для наглядности я лучше буду использовать правило самореза, так как почти все хоть раз в жизни ввинчивали либо болт, либо саморез.
Ввинчиваем по часовой стрелке — саморез идет вниз. В нашем случае он показывает направление электрического тока. Движение наших рук показывает направление линий магнитного поля. Все то же самое, когда мы начинаем откручивать саморез. Он начинает вылазить вверх, то есть в нашем случае показывает направление электрического тока, а наша рука в этом время рисует в воздухе направление линий магнитного поля.
Также часто в учебниках физики можно увидеть, что направление электрического тока от нас рисуют кружочком с крестиком, а к нам — кружочком с точкой. В этом случае опять представляем себе саморез и уже в голове увидим направление магнитного поля.
Как думаете, что будет если мы сделаем вот такую петельку из провода? Что изменится в этом случае?
Давайте же рассмотрим этот случай более подробно. Так в этой плоскости оба проводника создают магнитное поле, то по идее они должны отталкиваться друг от друга. Но если они хорошо закреплены, то начинается самое интересное. Давайте рассмотрим вид сверху, как это выглядит.
Как вы можете заметить, в области, где суммируются магнитные силовые линии плотность магнитного потока прям зашкаливает.
Соленоид
А что если сделать много-много таких петелек? Взять какую-нибудь круглую бобину, намотать на нее провод и потом убрать бобину. У нас должно получится что-то типа этого.
Если подать постоянное напряжение на такую катушку, магнитные силовые линии будут выглядеть вот так.
Вы только посмотрите, какая бешеная плотность магнитного потока внутри такой катушки! Получается, что от каждой петельки магнитное поле суммируется, что в итоге дает такую плотность магнитного потока. Такую катушку также называют катушкой индуктивности или соленоидом.
Вот также схема, показывающая как магнитные силовые линии складываются в соленоиде.
Плотность магнитного потока зависит от того, какая сила тока проходит через соленоид. Чтобы увеличить плотность магнитного потока, достаточно поверх витков намотать еще больше витков и вставить сердечник из специального материала — феррита.
Если в электрических цепях есть такое понятие, как ЭДС — электродвижущая сила, то и в магнитных цепях есть свой аналог — МДС — магнитодвижущая сила. Магнитодвижущая сила выражается в виде тока, протекающего через катушку из N витков и выражается в Амперах-витках.
I — это сила тока в катушке, Амперы
N — количество витков катушки, штуки)
Также советую посмотреть очень простое и интересное видео про магнитное поле.
