Что такое магнитное поле

Магнитное поле и его свойства

Магнитное поле это материя, которая возникает вокруг источников электрического тока, а также вокруг постоянных магнитов. В пространстве магнитное поле отображается как совокупление сил, которые способны оказать воздействие на намагниченные тела. Это действие объясняется наличием движущих разрядов на молекулярном уровне.

Магнитное поле формируется только вокруг электрических зарядов, которые находятся в движении. Именно поэтому магнитное и электрическое поле являются, неотъемлемыми и вместе формируют электромагнитное поле. Компоненты магнитного поля взаимосвязаны и воздействуют друг на друга, изменяя свои свойства.

Свойства магнитного поля:
1. Магнитное поле возникает под воздействие движущих зарядов электрического тока.
2. В любой своей точке магнитное поле характеризуется вектором физической величины под названием магнитная индукция, которая является силовой характеристикой магнитного поля.
3. Магнитное поле может воздействовать только на магниты, на токопроводящие проводники и движущиеся заряды.
4. Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа
5. Магнитное поле измеряется только специальными приборами и не может быть воспринятым органами чувств человека.
6. Магнитное поля является электродинамическим, так как порождается только при движении заряженных частиц и оказывает влияние только на заряды, которые находятся в движении.

Размер магнитного поля зависит от скорости изменения магнитного поля. Соответственно этому признаку существуют два вида магнитного поля: динамичное магнитное поле и гравитационное магнитное поле. Гравитационное магнитное поле возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей строения этих частиц.

Магнитный момент возникает в том случае, когда магнитное поле воздействует на токопроводящую раму. Другими словами, магнитный момент это вектор, который расположен на ту линию, которая идет перпендикулярно раме.

Магнитное поле можно изобразить графически с помощью магнитных силовых линий. Эти линии проводятся в таком направлении, так чтобы направление сил поля совпало с направлением самой силовой линии. Магнитные силовые линии являются непрерывными и замкнутыми одновременно.

Направление магнитного поля определяется с помощью магнитной стрелки. Силовые линии определяют также полярность магнита, конец с выходом силовых линий это северный полюс, а конец, с входом этих линий, это южный полюс.

Очень удобно наглядно оценить магнитное поле с помощью обычных железных опилок и листка бумаги.
Если мы на постоянный магнит положим лист бумаги, а сверху насыпим опилок, то частички железа выстроятся соответственно силовым линиям магнитного поля.

Направление силовых линий для проводника удобно определять по знаменитому правилу буравчика или правилу правой руки. Если мы обхватим проводник рукой так, чтобы большой палец смотрел по направлению тока(от плюса к минусу), то 4 оставшиеся пальцы покажут нам направление силовых линий магнитного поля.

А направление силы Лоренца — силы, с которой действует магнитное поле на заряженную частицу или проводник с током, по правилу левой руки.
Если мы расположим левую руку в магнитном поле так, что 4 пальца смотрели по направлению тока в проводнике , а силовые линии входили в ладонь, то большой палец укажет направление силы Лоренца, силы действующей на проводник помещенный в магнитное поле.

На этом собственно всё. Появившиеся вопросы обязательно задавайте в комментариях.

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.

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:

1. Они применяются как игрушки, которые притягивают детали из металла.
2. Их часто прикрепляют к холодильнику.
3. 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:

1. 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.
2. 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:

1. 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).
2. 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.

Магнитное поле

Северный полюс и южный полюс на самом деле не совсем северный и южный, а вовсе наоборот. Звучит, как странная фантазия сумасшедшего физика, но это имеет место быть. Разбираемся с полюсами в этой статье.

· Обновлено 23 июня 2023

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 особый вид материи, который существует вокруг магнитов или движущихся зарядов.

У нее есть несколько условий для существования:

• магнитное поле существует независимо от наших знаний о нем;
• порождается только движущимся электрическим зарядом;
• обнаружить магнитное поле можно по действию на движущийся электрический заряд (или проводник с током) с некоторой силой;
• магнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

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).

Мы привыкли к тому, что на географическом севере находится северный магнитный полюс и на него указывает синяя стрелка компаса. Однако это не совсем так.

Из физики магнетизма нам известно, что силовые линии магнитного поля входят в южный полюс магнита, а выходят из северного. Если вы посмотрите на картину силовых линий магнитного поля Земли, то увидите, что они входят в Землю в районе северного географического полюса у канадских берегов Северного Ледовитого океана, а выходят в районе южного географического полюса в Антарктиде. Значит, с точки зрения физики у Земли на севере расположен южный магнитный полюс, а на юге — северный. Такие полюсы называются «истинными».

Однако, вопреки законам физики, люди договорились, что для простоты будут называть тот магнитный полюс, который находится на севере, северным, а тот магнитный полюс, что на юге, — южным. Такие магнитные полюсы Земли называются «мнимыми».

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.