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_
$M_
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
_
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:
$\oint
Величина магнитной индукции поля при одном и том же токе и прочих равных условиях в разных веществах будет различаться.
Магнитное поле можно описывать при помощи вектора напряженности ($\vec
$\vec=\mu \mu_<0>\vec
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.
Что является источником магнитного поля
Думаю, каждый из нас хотя бы раз в жизни держал в руках магнит. Был ли это «рабочий» камешек для быстрого сбора рассыпавшихся гвоздей или же сувенир на холодильник – неважно. Важно то, что завораживало нас с детства – как этот предмет непостижимым образом реагировал на металл, буквально прилипая к нему, и как оставался полностью безразличным к любым другим материалам. В чем же секрет магнита?
Что такое магнитное поле
В какой момент магнит начинает притягивать к себе? Вокруг каждого магнита существует магнитное поле, попадая в которое, предметы начинают к нему притягиваться. Размер такого поля может различаться в зависимости от размеров магнита и его собственных свойств.
Откуда берется магнитное поле
Магнитное поле может быть у намагниченных предметов, проводников тока и движущихся тел с электрическим зарядом. Все три источника магнитного поля объединены одной общей чертой – в каждом из них присутствуют микрочастицы, обладающие определенной энергией – ионы, протоны и электроны.
У каких предметов есть магнитное поле
Мы часто не задумываемся об этом, но очень многие (если не все) окружающие нас предметы являются магнитами. Мы привыкли к тому, что магнит – это камешек с ярко выраженной силой притяжения к себе, но на самом деле сила притяжения есть практически у всего, просто она значительно ниже. Возьмем хотя бы нашу планету – мы ведь не улетаем в космос, хотя ничем за поверхность не держимся. Поле Земли значительно слабее, чем поле магнита-камешка, поэтому удерживает она нас только за счет своего огромного размера – если Вы когда-нибудь видели, как люди ходят по Луне (диаметр которой в четыре раза меньше), Вы наглядно поймете, о чем речь. Притяжение Земли основано во многом на металлических составляющих.ее коры и ядра – они имеют мощное магнитное поле. Возможно, Вы слышали о том, что рядом с большими залежами железной руды компасы перестают указывать верное направление на север – это потому, что принцип работы компаса основан на взаимодействии магнитных полей, а железная руда притягивает его стрелку.
Источники магнитного поля
Магнитное поле – одна из форм электромагнитного поля. Его рассматривают как особый вид материи, посредством которого осуществляется связь и взаимодействие между движущимися электрическими зарядами.
Оно создается движущимися электрическими зарядами и спиновыми моментами атомных носителей магнетизма. Поэтому везде, где существует движущийся электрический заряд или электрический ток, возникает магнитное поле.
Обнаруживают магнитное поле по его действию на движущиеся электрические заряды или вещества с собственным магнитным полем. Важным свойством магнитного поля является неограниченность в пространстве: по мере удаления от движущихся электрических зарядов поле значительно ослабляется, но конечных границ не имеет.
Магнитные поля весьма разнообразны по своим свойствам. По происхождению различают естественные (геомагнитное поле, поле природных магнитов), искусственные (получаемые с помощью аппаратов или от предварительно намагниченных тел) и магнитные поля биологического происхождения (магнитные поля биообъектов).
Магниты состоят из миллионов молекул, объединенных в группы, которые называются доменами. Каждый домен ведет себя как минеральный магнит, имеющий северный и южный полюс. При одинаковой направленности доменов их сила объединяется, образуя более крупный магнит.
Железо имеет множество доменов, которые можно сориентировать в одном направлении, т.е. намагнитить. Домены в пластмассе, резине, дереве и остальных материалах находятся в беспорядочном состоянии, их магнитные поля разнонаправлены и потому эти материалы не могут намагничиваться.
Существуют три основных вида магнитов:
а) постоянные (природные) магниты;
б) временные магниты;
Природные магниты, называемые магнитной рудой, образуются, когда руда, содержащая железо или окиси железа, охлаждается и намагничивается за счет земного магнетизма. Постоянные магниты обладают магнитным полем при отсутствии электрического тока, так как их домены постоянно ориентированы в одном направлении.
Временные магниты – это магниты, которые действуют как постоянные магниты только тогда, когда находятся в сильном магнитном поле, и теряют свой магнетизм, когда магнитное поле исчезает. В качестве примера можно привести скрепки и гвозди, а также другие изделия из «мягкого» железа.
Электромагниты представляют собой металлический сердечник с индукционной катушкой, по которой проходит электрический ток.
2.1 Первый электромагнит
После опубликования памфлета Эрстеда многие заинтересовались проблемами электромагнетизма: в том же 1820 г. Араго продемонстрировал проволоку с током, облепленную железными опилками, а Ампер доказал, что спираль с током – соленоид – обладает всеми свойствами природного магнита, притягивая мелкие железные предметы.
Что касается первого электромагнита, т.е. катушки, обтекаемой током и содержащей внутри железный сердечник, то его изобретения пришлось ждать еще пять лет. Это устройство создал Вильям Стерджен.
Он родился в Ланкастере в 1783 г. в семье сапожника. Молодого Вильяма послали учиться мастерству к сапожнику, и тот, по-видимому, держал его в черном теле. Вильям голодал, и поэтому, как только представился случай, сбежал от сапожника в воинскую часть. Было ему в то время девятнадцать лет. Через два года Вильям дослужился до артиллериста, он много читал, ставил физические и химические опыты.
Однажды, когда их часть стояла на острове Ньюфаундленд, налетел страшный ураган, сопровождавшийся молниями и громом. Ураган произвел на Вильяма неожиданно сильное впечатление и привлек его внимание к электричеству.
Он стал читать книги по естествознанию, однако вскоре с горечью понял, что ничего в них не понимает. Тогда он решил начать с самых азов и занялся письмом, чтением и грамматикой. Сержант той же части снабжал его книгами, которые Вильям, освободившись от вахты, читал по ночам. Вскоре он перешел к математике, языкам, оптике и естествознанию.
После освобождения от воинской службы в 1820 г. Стерджен купил токарный станок и посвятил себя изготовлению физических приборов, в частности электрических.
Первым вкладом Стерджена в науку стала разработка им модифицированной модели вращающихся цилиндров Ампера. 23 мая 1825 г. представил Обществу искусств несколько усовершенствованных приборов для электромагнитных экспериментов, среди которых был ставший теперь знаменитым первый электромагнит.
Идея цилиндрического и подковообразного магнитов захватила его еще в 1823 г. Тогда Стерджен и построил вращающееся «колесо Стерджена» – фактически одну из первых модификаций электромотора.
Первый в мире электромагнит представлял собой согнутый в подкову лакированный железный стержень длиной 30 см и диаметром 1,3 см, покрытый сверху одним слоем изолированной медной проволоки. Электроэнергией он снабжался от гальванической батареи. Электромагнит удерживал на весу 3600 г. и значительно превосходил по силе природные магниты такой же массы. Это было блестящее по тем временам достижение.
Джоуль, экспериментируя с самым первым магнитом Стерджена, сумел довести его подъемную силу до 20 кг. Это было в том же 1825 г.
В 1828 г. лондонский часовой мастер Воткинс изготовил электромагнит, который поднимал 30 кг.
В 1832 г. Стерджен изготовил магнит, поднимавший 160 кг, но уже в том же году Марш создал магнит, способный поднять более 200 кг. Однако Стерджен не собирался терять первенства. По его заказу в 1840 г. был выполнен электромагнит, способный поднять уже 550 кг!
К тому времени у Стерджена нашелся очень сильный соперник за океаном. В апреле 1831 г. Джозеф Генри (его именем названа единица индуктивности) построил электромагнит массой около 300 кг, поднимавший около 1 т.
Все эти магниты по конструкции представляли собой подковообразные стержни, обмотанные проволокой. Джоуль в ноябре 1840 г. создал магнит собственной конструкции, в виде толстой стальной трубы, разрезанной вдоль оси. Сечение этого магнита было очень большим, магнит оказался компактным и поднимал 1,3 т.
В то же время Джоуль построил магнит совершенно новой конструкции – притягиваемый груз испытывал действие не двух полюсов, как обычно, а значительно большего количества, что позволило резко увеличить поднимаемый груз. Магнит массой 5,5 кг удерживал груз массой 1,2 т.
Первые магниты были сделаны «как бог на душу положит». Однако не любая форма давала хороший результат. Случайно получилось так, что Стерджен для своего первого магнита выбрал очень удачную – подковообразную – форму.
Отсутствие опыта и элементарной методики расчета магнитов привело к тому, что некоторые разновидности магнитов, предложенные в то время, были бы, на наш взгляд, просто абсурдными. Так, трехлапый магнит не мог бы успешно работать, так как магнитные потоки каждого стержня противодействовали бы друг другу – поток одного стержня замыкали на втором стержне, где он действовал навстречу потоку этого стержня.
Негодной, на современный взгляд, оказывается и очень часто использовавшаяся конструкция, один магнит в которой составлен из трех более мелких и намотанных отдельно. Ясно, что в промежутках между этими маленькими магнитами магнитные поля двух соседних стержней взаимно уничтожаются.
Лабораторные магниты того периода изготовлялись «на глазок». Никакой теории, которая позволила бы заранее предсказать свойства магнитов, не существовало.
Первый вклад в теорию расчета электромагнитов внесли русские ученые Э.X. Ленц и Б.С. Якоби, указавшие на связь подъемной силы электромагнита и произведение силы тока в катушках на число витков обмотки.
После Ленца и Якоби крупный вклад в теорию расчета магнитов внесли англичане братья Гопкинсоны, которые предложили метод учета насыщения – явления, давно замеченного проектировщиками магнитов и заключающегося в том, что в магните заданной формы после некоторого предела увеличением тока в катушках нельзя повысить его подъемную силу.
Современная теория связывает это явление с тем, что при достижении некоторого намагничивающего тока элементарные магнитики (диполи) железа (ферромагнетика), ранее расположенные беспорядочно, в основном ориентированы в одном направлении и при дальнейшем усилении намагничивающего тока существенного увеличения числа магнитиков, ориентированных в одном направлении, не происходит.
Наступила новая эра усиления мощности магнитов, но не путем увеличения их размеров, а посредством совершенствования их формы и борьбы с насыщением.
Как определить, имеет ли данное тело магнитное поле и может ли быть источником магнитного поля?
Магнитное поле – это свойство пространства, которое возникает при движении электрических зарядов. Магнитное поле возникает в осях движения заряда и ортогонально ей. Магнитное поле также возникает в намагниченных телах, где множество атомов ориентированы в одном направлении.
Магнитное поле может быть создано током, магнитом или намагниченным телом.
Как определить, имеет ли данное тело магнитное поле?
Определить наличие магнитного поля в теле можно с помощью небольшого магнита. Если тело притягивается к магниту или если магнит «цепляется» за тело, значит, оно имеет магнитное поле. Также можно использовать компас – приблизив его к телу, можно определить направление магнитного поля.
Кроме намагниченного тела, какое еще тело может быть источником магнитного поля?
Кроме намагниченных тел, магнитное поле может создаваться электрическим током. Электрический ток – это поток электронов, двигающихся в определенном направлении. При движении электронов возникает переменное магнитное поле. Также магнитное поле может быть создано электромагнитом – устройством, состоящим из провода, обмоток, магнита и батареи, которое создает магнитное поле при прохождении электрического тока через его обмотки.
Каковы некоторые интересные факты о магнитном поле?
- Магнитное поле Земли направлено от южного полюса к северному полюсу.
- Магнитное поле Земли помогает защищать нас от вредных космических лучей. Без него мы были бы намного более уязвимы для радиации.
- В некоторых животных, таких как голуби, существуют кристаллы магнетита, которые помогают им ориентироваться по магнитному полю Земли.
Как можно использовать магнитное поле в повседневной жизни?
Магнитное поле используется во множестве устройств и технологий.
- Магнитный замок на двери – пример использования магнитного поля в повседневной жизни.
- Магнитный датчик велосипеда – позволяет определить, когда велосипед движется и когда стоит на месте.
- Магнитные материалы используются при создании микропроцессоров и другой электроники.
Магнитное поле – это удивительное явление, которое присутствует в нашей жизни повсюду. Определить наличие магнитного поля в теле несложно – достаточно использовать магнит или компас. Магнитное поле может возникать в намагниченных телах, при прохождении электрического тока через провод или в электромагнитах. Магнитное поле используется во множестве технологий, от магнитных замков на дверях до микропроцессоров в наших смартфонах.