Какие источники магнитного поля вам известны

Магнитное поле

Магнитное поле – особая форма материи, существующая вокруг движущихся электрических зарядов – токов.

Источниками магнитного поля являются постоянные магниты, проводники с током. Обнаружить магнитное поле можно по действию на магнитную стрелку, проводник с током и движущиеся заряженные частицы.

Для исследования магнитного поля используют замкнутый плоский контур с током (рамку с током).

Впервые поворот магнитной стрелки около проводника, по которому протекает ток, обнаружил в 1820 году Эрстед. Ампер наблюдал взаимодействие проводников, по которым протекал ток: если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются, если токи в проводниках текут в противоположных направлениях, то они отталкиваются.

Свойства магнитного поля:

магнитное поле материально;
источник и индикатор поля – электрический ток;
магнитное поле является вихревым – его силовые линии (линии магнитной индукции) замкнутые;
величина поля убывает с расстоянием от источника поля.

Важно!
Магнитное поле не является потенциальным. Его работа на замкнутой траектории может быть не равна нулю.

Магнитным взаимодействием называют притяжение или отталкивание электрически нейтральных проводников при пропускании через них электрического тока.

Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов объясняется так: всякий движущийся электрический заряд создает в пространстве магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы.

Силовая характеристика магнитного поля – вектор магнитной индукции $ \vec $ . Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, к силе тока в проводнике $ I $ и его длине $ l $ :

Обозначение – $ \vec $ , единица измерения в СИ – тесла (Тл).

1 Тл – это индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила 1 Н.

Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением от южного полюса к северному полюсу магнитной стрелки (направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки), свободно установившейся в магнитном поле.

Направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика:

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Для определения магнитной индукции нескольких полей используется принцип суперпозиции:

магнитная индукция результирующего поля, созданного несколькими источниками, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым источником в отдельности:

Поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению, называется однородным.

Наглядно магнитное поле изображают в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукции – это воображаемая линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.

Свойства магнитных линий:

магнитные линии непрерывны;

магнитные линии замкнуты (т.е. в природе не существует магнитных зарядов, аналогичных электрическим зарядам);

магнитные линии имеют направление, связанное с направлением тока.

Густота расположения позволяет судить о величине поля: чем гуще расположены линии, тем сильнее поле.

На плоский замкнутый контур с током, помещенный в однородное магнитное поле, действует момент сил $ M $ :

где $ I $ – сила тока в проводнике, $ S $ – площадь поверхности, охватываемая контуром, $ B $ – модуль вектора магнитной индукции, $ \alpha $ – угол между перпендикуляром к плоскости контура и вектором магнитной индукции.

Тогда для модуля вектора магнитной индукции можно записать формулу:

где максимальный момент сил соответствует углу $ \alpha $ = 90°.

В этом случае линии магнитной индукции лежат в плоскости рамки, и ее положение равновесия является неустойчивым. Устойчивым будет положение рамки с током в случае, когда плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции.

Взаимодействие магнитов

Постоянные магниты – это тела, длительное время сохраняющие намагниченность, то есть создающие магнитное поле.

Основное свойство магнитов: притягивать тела из железа или его сплавов (например стали). Магниты бывают естественные (из магнитного железняка) и искусственные, представляющие собой намагниченные железные полосы. Области магнита, где его магнитные свойства выражены наиболее сильно, называют полюсами. У магнита два полюса: северный $ N $ и южный $ S $ .

Важно!
Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса и входят в южный полюс.

Разделить полюса магнита нельзя.

Объяснил существование магнитного поля у постоянных магнитов Ампер. Согласно его гипотезе внутри молекул, из которых состоит магнит, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи ориентированы определенным образом, то их действия складываются и тело проявляет магнитные свойства. Если эти токи расположены беспорядочно, то их действие взаимно компенсируется и тело не проявляет магнитных свойств.

Магниты взаимодействуют: одноименные магнитные полюса отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Магнитное поле проводника с током

Электрический ток, протекающий по проводнику с током, создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле.

Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током.

Направление линий магнитного поля вокруг проводника с током всегда находится в строгом соответствии с направлением тока, проходящего по проводнику.

Направление магнитных силовых линий можно определить по правилу буравчика: если поступательное движение буравчика (1) совпадает с направлением тока (2) в проводнике, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий (4) магнитного поля вокруг проводника.

При изменении направления тока линии магнитного поля также изменяют свое направление.

По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, индукция магнитного поля уменьшается.

Направление тока в проводнике принято изображать точкой, если ток идет к нам, и крестиком, если ток направлен от нас.

Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое устройство называют катушкой.

В проводнике, согнутом в виде витка, магнитные поля, образованные всеми участками этого проводника, будут внутри витка иметь одинаковое направление. Поэтому интенсивность магнитного поля внутри витка будет больше, чем вокруг прямолинейного проводника. При объединении витков в катушку магнитные поля, созданные отдельными витками, складываются. При этом концентрация силовых линий внутри катушки возрастает, т. е. магнитное поле внутри нее усиливается.

Чем больше ток, проходящий через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катушкой магнитное поле. Магнитное поле снаружи катушки также складывается из магнитных полей отдельных витков, однако магнитные силовые линии располагаются не так густо, вследствие чего интенсивность магнитного поля там не столь велика, как внутри катушки.

Магнитное поле катушки с током имеет такую же форму, как и поле прямолинейного постоянного магнита: силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят в другой ее конец. Поэтому катушка с током представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такую катушку называют электромагнитом.

Направление линий магнитной индукции катушки с током находят по правилу правой руки:

если мысленно обхватить катушку с током ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в ее витках, тогда большой палец укажет направление вектора магнитной индукции.

Для определения направления линий магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно использовать также правило буравчика:

если вращать ручку буравчика по направлению тока в витке или катушке, то поступательное движение буравчика укажет направление вектора магнитной индукции.

Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Полярность электромагнита (направление магнитного поля) можно определить и с помощью правила правой руки.

Сила Ампера

Сила Ампера – сила, которая действует на проводник с током, находящийся в магнитном поле.

Закон Ампера: на проводник c током силой $ I $ длиной $ l $ , помещенный в магнитное поле с индукцией $ \vec $ , действует сила, модуль которой равен:

где $ \alpha $ – угол между проводником с током и вектором магнитной индукции $ \vec $ .

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции $ B_\perp $ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.

Сила Ампера не является центральной. Она направлена перпендикулярно линиям магнитной индукции.

Сила Ампера широко используется. В технических устройствах создают магнитное поле с помощью проводников, по которым течет электрический ток. Электромагниты используют в электромеханическом реле для дистанционного выключения электрических цепей, магнитном подъемном кране, жестком диске компьютера, записывающей головке видеомагнитофона, в кинескопе телевизора, мониторе компьютера. В быту, на транспорте и в промышленности широко применяют электрические двигатели. Взаимодействие электромагнита с полем постоянного магнита позволило создать электроизмерительные приборы (амперметр, вольтметр).

Простейшей моделью электродвигателя служит рамка с током, помещенная в магнитное поле постоянного магнита. В реальных электродвигателях вместо постоянных магнитов используют электромагниты, вместо рамки – обмотки с большим числом витков провода.

Коэффициент полезного действия электродвигателя:

где $ N $ – механическая мощность, развиваемая двигателем.

Коэффициент полезного действия электродвигателя очень высок.

Алгоритм решения задач о действии магнитного поля на проводники с током:

сделать схематический чертеж, на котором указать проводник или контур с током и направление силовых линий поля;

отметить углы между направлением поля и отдельными элементами контура;

используя правило левой руки, определить направление силы Ампера, действующей на проводник с током или на каждый элемент контура, и показать эти силы на чертеже;

указать все остальные силы, действующие на проводник или контур;

записать формулы для остальных сил, упоминаемых в задаче. Выразить силы через величины, от которых они зависят. Если проводник находится в равновесии, то необходимо записать условие его равновесия (равенство нулю суммы сил и моментов сил);

записать второй закон Ньютона в векторном виде и в проекциях;

решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;

решение проверить.

Сила Лоренца

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Формула для нахождения силы Лоренца:

где $ q $ – заряд частицы, $ v $ – скорость частицы, $ B $ – модуль вектора магнитной индукции, $ \alpha $ – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции $ B_\perp $ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.

Если заряд частицы отрицательный, то направление силы изменяется на противоположное.

Важно!
Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно.

В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.

Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:

где $ m $ – масса частицы, $ v $ – скорость частицы, $ B $ – модуль вектора магнитной индукции, $ q $ – заряд частицы.

В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для вычисления периода обращения частицы:

Угловая скорость движения заряженной частицы:

Важно!
Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца изменяется направление скорости частицы.

Если вектор скорости направлен под углом $ \alpha $ (0° < $ \alpha $ < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.

В этом случае вектор скорости частицы можно представить как сумму двух векторов скорости, один из которых, $ \vec_2 $ , параллелен вектору $ \vec $ , а другой, $ \vec_1 $ , – перпендикулярен ему. Вектор $ \vec_1 $ не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор $ \vec_2 $ меняется по направлению. Сила Лоренца будет сообщать движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости $ \vec_1 $ . Частица будет двигаться по окружности. Период обращения частицы по окружности – $ T $ .

Таким образом, на равномерное движение вдоль линии индукции будет накладываться движение по окружности в плоскости, перпендикулярной вектору $ \vec $ . Частица движется по винтовой линии с шагом $ h=v_2T $ .

Важно!
Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:

Особенности движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах – устройствах для измерения масс заряженных частиц; ускорителях частиц; для термоизоляции плазмы в установках «Токамак».

Алгоритм решения задач о действии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:

Что такое магнитное поле, его свойства и источники

Что такое магнитное поле? Физика легко объясняет все явления природы, в том числе и невидимые, а потому дает ответ и на этот вопрос. Оказывается, в некоторых веществах есть свободные электроны, движение которых и создает особенные поля. Обсудим их секреты подробнее.

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: Freepick

Какова природа магнитного поля? Существуют способы, которые организовывают движение зарядов так, чтобы они такое поле порождали. Например:

Можно пустить ток по проводнику, присоединенному к батарее. Если силу тока увеличивать (то есть наращивать количество движущихся зарядов), то пропорционально усилится и магнитное поле. Его сила будет уменьшаться пропорционально расстоянию от проводника. Данное явление называют закон Ампера.

Можно использовать свойства электронов. Они имеют отрицательный заряд и совершают движение вокруг ядра атомов, что и есть основой принципа работы постоянного магнита. Не все материалы получится намагнитить. Для этого необходимы один или несколько так называемых непарных электронов (обычно электроны всегда образуют пары). Например, у атома железа есть четыре непарных электрона, поэтому из такого материала получится хороший магнит.

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:

оно материальное, то есть существует в объективной реальности, даже если о нем не знаем;

его порождают лишь движущиеся электрические заряды, то есть любое движущееся заряженное тело окружено таким полем. Магнитные поля создаются и магнитами, но и в этом случае причина появления кроется в движении электронов. Переменные электрические поля также создают их;

обнаруживают данные поля, действуя некоторой силой на движущиеся электрические заряды или проводники с током;

в пространстве его распространение происходит со скоростью, которая равна скорости света в условиях вакуума.

Таким образом, магнитное поле, определение которому дали выше, — это явление загадочное и невидимое, но в то же время вполне объяснимое.

Магнитное поле: источники, измерение

Источниками магнитных полей считаются:

Электрические поля, меняющиеся во времени.

Подвижный заряд.

Постоянный магнит.

Магниты разного размера: Freepick

С детства сталкиваемся с постоянными магнитами:

Они применяются как игрушки, которые притягивают детали из металла.

Их часто прикрепляют к холодильнику.

Используют как встроенные части в игрушках.

Движущиеся электрические заряды, если сравнивать их с постоянными магнитами, обладают большей магнитной энергией.

Если магнитное поле нельзя увидеть, то как его изобразить? Физики предложили следующие способы:

Магнитные поля описывают с помощью математики как векторные. Их изображают как упорядоченную сетку множества векторов. Каждый из них направлен в свою сторону, а длина определяется величиной магнитной силы. Если бы много маленьких компасов выложили в определенном порядке, картинка получила бы такая же, вот только силу поля узнать бы не удалось.

Также используют силовые линии магнитного поля. В этом случае вместо сетки векторы соединяют плавные линии. При этом рисуют столько линий, сколько захочется.

Во втором виде изображения есть такие преимущества:

Силовые линии магнитных полей не пересекаются.

Они расположены тем плотнее, чем выше индукция (сила) магнитного поля.

Данные линии изображают в виде замкнутых циклов, то есть у них есть начало и конец с продолжением внутри магнита.

Чтобы указать направление поля, применяют стрелочки, расставленные вдоль силовых линий. Иногда применяют и другие обозначения. Традиционно полюса магнита обозначают как «север» и «юг», а силовые линии изображают по направлению от одного полюса ко второму.

По этой причине их обычным направлением считается направление с севера на юг. Концы источника магнитного поля часто подписывают английскими буквами N (север) и S (юг).

Полюбоваться силовыми линиями может каждый. Для этого:

Магнитные опилки надо высыпать на ровную поверхность рядом с источником магнитного поля.

Металлические частицы начнут вести себя подобно крошечному магниту с южным и северным полюсами.

Опилки постепенно образуют отдельные области благодаря отталкиванию одинаковых полюсов.

В результате получится рисунок силовых линий.

Так обычно выглядит основная картина, а свойства материала опилок определяют положение и плотность линий.

Магнит, притягивающий скрепки: Freepick

Наконец, магнитное поле как векторную величину можно описать и измерить. Для этого понадобится сила и направление:

С направлением все просто. С его определения берут магнитный компас и ждут, пока стрелка остановится на силовой линии. Такие компасы были известны мореплавателям еще в XI веке. Кроме того, пользуются правилом сжатой правой руки (когда правая рука обхватывает проводник, а большой палец показывает направление тока, то другие пальцы указывают направление поля).

С силой немного сложнее. Приборы под названием магнитометры были изобретены лишь в XIX веке. Большинство из них способно рассчитать силу, которая действует на электрон, движущийся в поле.

Точные измерения слабых магнитных полей начались после открытия в 1988 году эффекта гигантского магнетосопротивления. Им обладают материалы, которые составлены из особенных тонких пленок.

Интересно, что это открытие фундаментальной физики стало применяться для хранения информации на жестких дисках компьютеров. В итоге плотность записи на магнитном носителе выросла в тысячи раз буквально в течение нескольких лет. В 2007 году ученые Ферт и Грюнберг за это открытие были награждены Нобелевской премией по физике.

Согласно международной системе единиц, силу (индукцию) магнитных полей измеряют в тесла (обозначают Тл, назвали в честь Николы Теслы). Тесла — это такая величина силы, которая действует на движущийся заряд от магнитного поля. Так, маленький магнит, который повесили на холодильник, создаст индукцию примерно 0,001 Тл, в то время как индукция магнитного поля нашей планеты составляет 5×10⁻⁵ Тл.

Иногда ученые пользуются альтернативной единицей измерения под названием гаусс (обозначают Гс). Преобразовываются эти единицы измерений достаточно легко: 1 Тл = 10⁴ Гс. Причиной применения единицы Гс стало то, что 1 тесла — это слишком высокая величина для индукции.

В формулах величину магнитной индукции обозначают символом BBB. Иногда встречается термин «напряженность магнитного поля» с обозначением символом HHH. Обе эти величины измеряют в одних и тех же единицах, но в напряженности учитывается магнитное поле, которое есть внутри магнита. В решении простых задач, где действие происходит в воздухе, этой разницей можно пренебречь.

О том, что такое магнитное поле, больше знаем из практики, но не всегда разбираемся в теории. Оказывается, что невидимые магнитные поля вполне реальны и создаются движением электронов. Их направление указывают стрелки компасов, а силу измеряют специальные приборы.

Источники магнитного поля

Издревле человеку были известны вещества, способные притягивать железные предметы. Около древнего греческого города Магнесия подобные минералы встречались в изобилии, эти вещества получили название магниты в честь данного города. Речь идет о постоянных магнитах.

Характеристики магнитного поля

Экспериментально легко понять, что так же как электрические заряды окружены электрическим полем, так в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты имеется силовое поле, которое названо магнитным полем.

Присутствие магнитного поля можно обнаружить по его воздействию на постоянный магнит или проводник с током.

Отличительными чертами магнитного поля являются:

Магнитные поля оказывают свое воздействие только на движущиеся в нем электрические заряды. Электрическое поле оказывает силовое действие на движущиеся в нем и неподвижные заряды.

Характер действия магнитного поля зависит от формы проводника с током, расположения этого проводника в магнитном поле и направления текущего в проводнике тока.

Для изучения магнитного поля применяют рамку с током, обладающую малыми размерами в сравнении с расстоянием до источника магнитного поля.

Рамка с током – это замкнутый плоский контур, по которому течет ток. Ориентацию рамки с током характеризует нормаль к контуру. Положительным направлением нормали считают направление, которое связывает с током правило правого винта.

Силовое поле, которое создают постоянные магниты и постоянные токи, называют постоянным магнитным полем.

Эксперименты Эрстеда

В 1820 году Эрстед доказал, что магнитные поле, помимо магнитов могут создавать электрические токи.

История открытия магнитного поля Эрстедом не лишена интереса. Ученый на лекции проводил эксперименты, которые должны были продемонстрировать нагрев проводников, если сквозь него проходит электрический ток. Студент, присутствовавший на лекции, сказал преподавателю о том, что в то время, когда он замыкает цепь, стрелка компаса, лежащего на столе, отклоняется от положения равновесия. Эрстед с большим вниманием отнесся к этому явлению и детально его изучил. В итоге он понял, что вокруг электрических токов возникает силовое поле, которое в полной мере аналогично полям, которые создают вокруг себя постоянные магниты.

Постоянный электрический ток – источник постоянного магнитного поля

На сегодняшний день достоверно установлено, что источником постоянного магнитного поля служит постоянный электрический ток.

Может возникнуть вопрос, что служит источником магнитного поля у постоянных магнитов, и нет ли противоречия со сказанным выше?

Магнитное поле постоянных магнитов тоже создают токи. Это микроскопические замкнутые молекулярные токи и собственные магнитные моменты микрочастиц.

Магнитное поле стоит исследовать в отдельности от электрического поля, в том случае, если это поле создано постоянными во времени электрическими токами.

В веществах, магнитное поле внешних электрических токов складывается с магнитными полями, которые создаются молекулярными токами.

Источники переменного магнитного поля

Переменные электрические токи порождают переменные магнитные поля. В этом случае магнитное поле невозможно рассматривать в отдельности от электрического поля. Изменяющиеся электрические токи являются источником переменного магнитного поля. Это поле в свою очередь становится источником переменного электрического поля. Вновь созданное переменное электрическое поле порождает новое переменное магнитное поле. Как результат, мы имеем электромагнитное поле, в котором электрическую и магнитную компоненты невозможно отделить друг от друга, исследование магнитного поля в таком случае становится принципиально невозможным от электрического.

Магнитным полем называют особую разновидность материи, при помощи которой реализуется силовое действие на перемещающиеся электрические заряды, находящиеся в нем, и другие тела имеющие магнитный момент. Магнитное поле – компонент электромагнитного поля.

Количественные и качественные характеристики магнитного поля

Поместим малую рамку с током в магнитное поле. Экспериментально установим, что в этом поле на рамку действует момент силы $M$, который зависит от ряда параметров, и от положения рамки в поле. Наибольшая величина момента силы ( $M_$) связана с магнитным полем, в котором она локализована и от параметров самого контура (силы тока $I$, текущего в нем, его площади ($S$ )):

$M_\sim IS=p_\left( 1 \right)$

где $p_m$ – магнитный момент контура с током. Магнитный момент — это характеристика контура с током и большого числа элементарных частиц, который определяет их поведение в магнитном поле.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции ($\vec)$. Магнитную индукцию поля в точке можно определить как отношение наибольшего вращающего момента, который оказывает воздействие на виток с током в магнитном поле, и магнитного момента рассматриваемого витка:

Направление вектора магнитной индукции такое же, как у вектора магнитного момента ($\vec

_$) при устойчивом положении равновесия контура.

Магнитное поле можно изображать при помощи линий магнитной индукции. Касательные к линиям магнитной индукции указывают направление B ⃗. Количество силовых линий поля, которые приходятся на единичную площадь, нормальную к линиям магнитной индукции, равно модулю $\vec$. Линии магнитной индукции замкнуты (без конца и начала).

Магнитные поля являются вихревыми. Это означает, что циркуляция вектора $\vec$ вдоль любой линии магнитной индукции отлична от нуля:

$\oint dl\ne 0\left( 3 \right).> $

Величина магнитной индукции поля при одном и том же токе и прочих равных условиях в разных веществах будет различаться.

Магнитное поле можно описывать при помощи вектора напряженности ($\vec$). Если рассматриваемое вещество является однородным и магнитоизотропным, то

$\vec=\mu \mu_<0>\vec\left( 4 \right)$

где $\mu_<0>$ – магнитная постоянная; $\mu$ – магнитная проницаемость вещества.

Магнитная проницаемость (μ) показывает, во сколько раз магнитное поле макротоков H увеличивается из-за наличия микротоков вещества.

Магнитное поле: источники, свойства, характеристики и применение

Уже в глубокой древности люди сталкивались с удивительными свойствами магнитных камней и даже использовали их в навигации. Однако по-настоящему природа магнетизма начала постигаться только в XIX веке благодаря опытам Эрстеда, Ампера и Фарадея. Их открытия положили начало новой эре — эре электричества и электротехники.

Сегодня мы не представляем нашу жизнь без электрического освещения, бытовой техники, компьютеров и мобильной связи. Но мало кто задумывается, что в основе работы этих устройств лежат удивительные свойства магнитного поля, открытые гениальными учеными почти 200 лет назад.

Их открытия позволили создать электродвигатели, генераторы, трансформаторы и множество других полезных устройств. Более того, магнитное поле используется сегодня в передовых технологиях — от ускорителей элементарных частиц до магнитной диагностики в медицине.

В этой статье мы поговорим о том, как устроено магнитное поле, откуда оно берётся и какие уникальные свойства помогли человечеству совершить технологический рывок.

Открытие магнитного поля

Первые научные сведения о магнитных явлениях появились благодаря опытам датского физика Ганса Христиана Эрстеда в 1820 году. Он обнаружил, что проводник с током воздействует на магнитную стрелку. Эрстед провёл простой, но гениальный по своей сути эксперимент — подвесил магнитную стрелку рядом с проводником и замкнул цепь. К удивлению учёного, стрелка резко отклонилась от проводника.

Это наблюдение положило начало современному представлению о том, что электрический ток порождает вокруг себя магнитное поле. Затем французский физик Андре-Мари Ампер вывел математическую зависимость между силой взаимодействия токов и расстоянием между проводниками.

Огромный вклад в понимание природы магнетизма внёс английский учёный Майкл Фарадей. В 1831 году он открыл явление электромагнитной индукции — возникновение электрического тока в замкнутом проводнике при изменении магнитного поля. Это был первый шаг на пути практического использования магнитных явлений.

Великий Джеймс Кларк Максвелл в 1860-х годах сумел математически описать все электромагнитные явления с помощью системы уравнений. Он показал, что свет представляет собой электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью 300 000 км/с.

Лишь за какие-то полвека учёные с нуля открыли явление магнетизма, изучили его свойства и даже научились практически применять. Сегодня это фундаментальное физическое явление лежит в основе современной цивилизации.

Источники и характеристики магнитного поля

Источники магнитного поля могут быть самыми разными — от отдельных движущихся зарядов до огромных постоянных магнитов.

В основе любого магнитного поля лежит движение электрических зарядов. Это может быть упорядоченное движение электронов в проводнике с током или хаотичное движение электронов в постоянном магните. Даже один ускоренно движущийся электрон создаст вокруг себя магнитное поле!

Чтобы описать свойства поля, используют такие величины как магнитная индукция В, напряженность Н и магнитный поток Ф. Индукция В показывает силу воздействия на движущиеся заряды. Напряженность Н связана с источником поля. А магнитный поток Ф характеризует совокупное поле в данном объёме.

Практически любой источник движущихся зарядов можно использовать для создания магнитного поля. Это могут быть катушки с током, постоянные магниты, даже ускорители элементарных частиц. Главное — подобрать нужную конфигурацию, чтобы получить требуемые характеристики поля.

Магнитное поле может быть создано различными источниками. Основные из них:

Электрический ток в проводнике. Согласно опытам Эрстеда и Ампера, вокруг проводника с током возникает магнитное поле. Это явление объясняется тем, что электрический ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов (электронов). Движущиеся заряды и создают магнитное поле.

Движущийся электрический заряд. Согласно опытам Роуланда, отдельный движущийся заряд также порождает магнитное поле вокруг себя. Это свойство зарядов объясняется наличием у них магнитного момента, обусловленного внутренним вращением заряда — спином.

Постоянные магниты. Вещества, обладающие собственным устойчивым магнитным полем, называются постоянными магнитами. Поле постоянных магнитов создается благодаря упорядоченному движению электронов в атомах вещества.

Основными характеристиками магнитного поля являются:

B — векторная величина, определяющая силовое действие магнитного поля на движущиеся заряды. Единица измерения — тесла (Тл).
Напряженность магнитного поля H — вектор, характеризующий источник магнитного поля. Связан с индукцией соотношением B=μH, где μ — магнитная проницаемость среды.

Магнитный поток Ф — скалярная величина, равная интегралу от индукции по замкнутой поверхности. Измеряется в веберах (Вб).

Зная значения этих величин, можно определить силу и направление действия магнитного поля в каждой точке пространства.

Основными источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды — как в электрических токах, так и в постоянных магнитах. Для описания свойств магнитного поля используются такие характеристики, как индукция, напряженность и магнитный поток.

Свойства и проявления магнитного поля

Магнитное поле обладает рядом уникальных свойств, которые проявляются в его взаимодействии с веществом и полями:

Действует на движущиеся заряженные частицы. Согласно закону Лоренца, на заряд q, движущийся в магнитном поле с индукцией B со скоростью v, действует сила F = q[v,B]. Это свойство используется в электродвигателях, ускорителях частиц и других устройствах.

Создает механические силы на проводники с током. На проводник длиной l c током I, расположенный перпендикулярно линиям индукции B, действует сила Ампера F = BIl. Этот эффект применяется в электроизмерительных приборах, громкоговорителях и т.д.

Вызывает явление электромагнитной индукции. Изменение магнитного потока в контуре индуцирует в нем электродвижущую силу (закон Фарадея), что лежит в основе работы электрогенераторов.

Создает магнитную энергию, запасаемую в катушках индуктивности и ферромагнитных сердечниках.

Оказывает ориентирующее и фокусирующее действие на движущиеся заряженные частицы, что применяется в ускорителях элементарных частиц.

Взаимодействует с другими магнитными полями, вызывая притяжение и отталкивание проводников с током (закон Ампера).

Может распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн со скоростью света.

Благодаря своим уникальным свойствам, магнитное поле играет ключевую роль во многих электротехнических и физических устройствах и процессах. Понимание этих свойств позволяет эффективно использовать магнитное поле для решения практических задач.

Методы обнаружения магнитного поля

Существует несколько способов обнаружить наличие и особенности магнитного поля:

Магнитный компас. Стрелка компаса, намагниченная по направлению магнитного меридиана Земли, поворачивается в направлении силовых линий любого внешнего магнитного поля. Это позволяет определить приблизительное направление поля.

Железные опилки. Под влиянием магнитного поля железные опилки выстраиваются цепочками вдоль силовых линий, визуализируя тем самым направление и конфигурацию поля. . Электронный датчик, использующий эффект Холла — возникновение электрического напряжения в проводнике, по которому протекает ток, помещенном в магнитное поле перпендикулярно току. Позволяет измерять индукцию поля.

Измерение силы Ампера. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, пропорциональна индукции поля. Этот эффект можно использовать для количественного определения B.

Эффект Зеемана. Расщепление спектральных линий вещества, помещенного в магнитное поле. По степени расщепления можно судить о напряженности поля.

Измерение индукции в катушке. Используя закон электромагнитной индукции, по ЭДС, наводимой в катушке при ее движении в магнитном поле, можно рассчитать величину магнитной индукции.

Существует множество экспериментальных методов, позволяющих не только обнаружить магнитное поле, но и определить его характеристики — направление, величину индукции и напряженности. Комбинируя разные методы, можно получить детальную информацию о структуре и свойствах исследуемого магнитного поля.

Применение магнитного поля

Уникальные свойства магнитного поля позволили найти ему самое разнообразное применение в науке и технике.

Во-первых, электродвигатели и генераторы. Взаимодействие токов и магнитных полей лежит в основе преобразования электрической энергии в механическую и наоборот. Эти устройства незаменимы в промышленности и на транспорте.

В физике элементарных частиц магнитные поля нужны для разгона и фокусировки пучков заряженных частиц в ускорителях. Огромные синхротроны достигают рекордных энергий столкновений.

Магнитные носители информации позволили революционно увеличить объёмы хранимых данных. Жесткие диски компьютеров и магнитные ленты до сих пор незаменимы.

В медицине активно применяется магнитно-резонансная томография — метод сканирования органов и тканей с использованием сильных магнитных полей. А магнитотерапия помогает лечить многие заболевания.

Наконец, магнитные поля космических объектов изучает астрофизика. Магнитосферы планет, солнечный ветер, магнитары — все эти явления определяются магнетизмом.

Трудно назвать область, где бы магнитное поле не нашло применения благодаря своим удивительным свойствам. И похоже, потенциал этого явления далеко не исчерпан.

Заключение

Подводя итог, можно с уверенностью сказать, что магнитное поле — одно из фундаментальных явлений природы, без которого невозможно представить современную науку и технику.

Благодаря открытию электромагнитной индукции, силы Ампера и других эффектов человечество получило мощный источник энергии, позволивший совершить технологический рывок. Магнитное поле лежит в основе работы электродвигателей, генераторов, ускорителей элементарных частиц.

Сегодня трудно назвать область науки или техники, где бы магнитное поле не использовалось тем или иным образом. А открытие новых магнитных явлений по-прежнему приводит к прорывным технологиям, как это было с магнитной записью или магнитно-резонансной томографией.

Поэтому изучение фундаментальных свойств магнитного поля по-прежнему остаётся важнейшей задачей физики. И, несомненно, это поможет раскрыть ещё не одну удивительную тайну магнетизма и использовать её на благо человечества.