Магнитное поле создается только: 1. Магнитное поле создаётся: а) неподвижными зарядами б)любыми зарядами в)движущимися

Содержание

Контрольная работа 11 кл М п ЭМИ ЭМК ЭМВ

Контрольная работа на тему: «МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ»

ВАРИАНТ 1

ЧАСТЬ А Выберите один верный ответ

1. Магнитное поле создается

1) электрическими зарядами

2) магнитными зарядами

3) движущимися электрическими зарядами

4) любым телом

2. Линии магнитной индукции вокруг проводника с током правильно показаны в случае


1)А 3

2) Б 4) Г

3. Прямолинейный проводник с током находится между полюсами магнита (проводник расположен перпендикулярно плоскости листа, ток течет к читателю). Сила Ампера, действующая на проводник, направлена

1) вправо → 3) вверх ↑

2) влево ← 4) вниз

4. Траектория полета электрона, влетевшего в однородное магнитное поле под углом 60°

1) прямая 3) парабола

2) окружность 4) винтовая линия

5.Какой из ниже перечисленных процессов объясняется явлением электромагнитной индукцией?

1) взаимодействие проводников с током.

  1. отклонение магнитной стрелки при прохождении по про­воду электрического тока.

  2. возникновение электрического тока в замкнутой катуш­ке при увеличении силы тока в катушке, находящейся рядом с ней.

  3. возникновение силы, действующей на прямой проводник с током.

6. Легкое проволочное кольцо подвешено на нити. При вдвигании в кольцо магнита северным полюсом оно будет:

  1. отталкиваться от магнита

  2. притягиваться к магниту

  3. неподвижным

  4. сначала отталкиваться, затем притягиваться

7. На рисунке представлен график зависимости заряда от времени в колебательном контуре. Значения амплитуды заряда и периода его изменения равны

1,5 нКл, 2 мкс

  1. 3 нКл, 4 мкс

  2. 1,5 нКл, 4 мкс

  3. 3 нКл, 2 мкс

ЧАСТЬ В

8. Установите соответствия технических устройств из левого столбца таблицы с физическими явлениями, используемыми в них, в правом столбце.

Устройства

А. электродвигатель

Б. компас

В. гальванометр

Г. МГД – генератор

Явления

  1. действие магнитного поля на постоянный магнит

  2. действие магнитного поля на движущийся электрический заряд

  3. действие магнитного поля на проводник с током

Решите задачи.

9. В однородном магнитном поле движется со скоростью 4 м/с перпендикулярно линиям магнитной индукции провод длиной 1,5м. Модуль вектора индукции магнитного поля равен 50 мТл. Определить ЭДС индукции, которая возникает в проводнике.

10. На какой частоте работает радиопередатчик, излучающий волну длиной 30 м?

ЧАСТЬ С

Решите задачу.

11. По горизонтальным рельсам, расположенным в вертикальном магнитном поле с индукцией 0,01 Тл, скользит проводник длиной 1 м с постоянной скоростью 10 м/с. Концы рельсов замкнуты на резистор сопротивлением 2 Ом. Найдите количество теплоты, которое выделится в резисторе за 4 с. Сопротивлением рельсов и проводника пренебречь.

Контрольная работа на тему: «МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ»

ВАРИАНТ 2

ЧАСТЬ А Выберите один верный ответ

1. Движущийся электрический заряд создает

  1. только электрическое поле

  2. только магнитное поле

  3. как электрическое, так и магнитное поле

  4. только гравитационное поле

2. На рисунке изображен цилиндрический проводник, по которому идет электрический ток. Направление тока указано стрелкой. Как направлен вектор магнитной индукции в точке С?

1)в плоскости чертежа вверх

  1. в плоскости чертежа вниз

  2. от нас перпендикулярно плоскости чертежа

  3. к нам перпендикулярно плоскости чертежа

3. На проводник с током, внесенный в магнитное поле, действует сила, направленная

1)вверх

2)влево

  1. к нам перпендикулярно плоскости чертежа

  2. от нас перпендикулярно плоскости чертежа

4. Скорость электрона направлена перпендикулярно магнитной индукции. Сила Лоренца направлена

1) вправо→

2) влево←

3)вверх ↑

4) вниз

5. Легкое металлическое кольцо подвешено на нити. При вдвигании в кольцо постоянного магнита оно отталкивается от него. Это объясняется

  1. намагничиванием кольца

  2. электризацией кольца

  3. возникновением в кольце индукционного тока

  4. возникновением в магните индукционного тока

6. В проволочное алюминиевое кольцо, висящее на нити, вносят полосовой магнит: сначала южным полюсом, затем северным. Кольцо при этом:

  1. в обоих случаях притянется к магниту

  2. в обоих случаях оттолкнется от магнита

  3. в первом случае притянется, во втором – оттолкнется

  4. в первом случае оттолкнется, во втором – притянется

7.

На рисунке представлен график зависимости силы тока от времени в колебательном контуре. Значения амплитуды силы тока и частоты ее изменения равны

  1. 10мА,8Гц

  2. 10мА,4Гц

  3. 5мА,0,125Гц

4) 5 мА, 0,25 Гц

ЧАСТЬ В

8. Установите соответствия технических устройств из левого столбца таблицы с физическими явлениями, используемыми в них, в правом столбце.

Явления

  1. действие магнитного поля на постоянный магнит

  2. действие магнитного поля на проводник с током

  3. действие магнитного поля на движущийся электрический заряд

Устройства

A. громкоговоритель

Б. электронно-лучевая трубка

B. амперметр
Г. компас

Решите задачи.

9. В однородном магнитном поле перпендикулярно направлению вектора индукции, модуль которого 0,1 Тл, движется проводник длиной 2 м со скоростью 5 м/с. Определить ЭДС индукции, которая возникает в проводнике.

10. Какова длина волны телевизионного сигнала, если несущая частота равна 50 МГц?

ЧАСТЬ С

11. Решите задачу.

Плоский проволочный виток площадью 1000 см2, имеющий сопротивление 2 Ом, расположен в однородном магнитном поле с индукцией 0,1 Тл таким образом, что его плоскость перпендикулярна линиям магнитной индукции. На какой угол был повернут виток, если при этом по нему прошел заряд 7,5 мКл?

Ответы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

в-1 3 1 1 4 3 1 3 3132 0,3В 1МГц 20МДж

в-2 3 4 4 3 3 2 3 2321 1В 6м 120°

Магнитное поле | Физика

Магнитное поле — одна из форм материи (отличная от вещества), существующая в пространс­тве, окружающем постоянные магниты, проводники с током и движущиеся заряды. Магнитное поле вместе с электрическим полем образует единое электромагнитное поле.

Магнитное поле не только создается постоянными магнитами, движущимися зарядами и тока­ми в проводниках, но и действует на них же.

Термин «магнитное поле» был введен в 1845 г. М. Фарадеем. К тому времени был уже извес­тен ряд явлений электродинамики, требующих объяснения. К ним относятся, в частности, сле­дующие.

1. Явление взаимодействия постоянных магнитов (установление магнитной стрелки вдоль магнитного меридиана Земли, притяжение разноименных полюсов, отталкивание одноименных), известное с древних времен и систематически исследованное У. Гильбертом (результаты опубли­кованы в 1600 г. в его трактате «О магните, магнитных телах и о большом магните — Земле»).

2. В 1820 г. датский ученый Г. X. Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, помещенная вблизи проводника, по которому течет ток, поворачивается, стремясь расположиться перпендику­лярно проводнику.


3. В том же году французский физик Ампер, которого заинтере­совали опыты Эрстеда, обнаружил взаимодействие двух прямолиней­ных проводников с током. Оказалось, что если токи в проводниках текут в одну сторону, т. е. параллельны, то проводники притягивают­ся (рис. 3.31, а), если в противоположные стороны (т. е. антипарал-лельны), то отталкиваются .

Взаимодействия между проводниками с током, т. е. взаимодейс­твия между движущимися электрическими зарядами, называют маг­нитными, а силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, — магнитными силами.

Согласно теории близкодействия, которой придерживался М. Фа-радей, ток в одном из проводников не может непосредственно влиять на ток в другом проводнике. Аналогично случаю с неподвижными электрическими зарядами, вокруг которых существует электричес­кое поле, был сделан вывод, что в пространстве, окружающем токи, существует магнитное поле, которое действует с некоторой силой на другой проводник с током, помещенный в это поле, либо на посто­янный магнит. В свою очередь, магнитное поле, создаваемое вторым проводником с током, действует на ток в первом проводнике. 
Подобно тому как электрическое поле обнаруживается по его воздействию на пробный заряд, внесенный в это поле, магнитное поле можно обнаружить по ориентирующему действию магнит­ного поля на рамку с током малых (по сравнению с расстояниями, на которых магнитное поле заметно меняется) размеров. Провода, подводящие ток к рамке, следует сплести (или расположить близко друг к другу), тогда результирующая сила, действующая со стороны маг­нитного поля на эти провода, будет равна нулю. Силы же, действующие на такую рамку с током, будут ее поворачивать, так что ее плоскость установится перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. В примере, приведенном на рис. 3.32, рамка повернется так, чтобы проводник с током оказался в плоскости рамки. При изменении направления тока в проводнике рамка по­вернется на 180°. В поле между полюсами постоянного магнита рамка повернется плоскостью перпендикулярно магнитным силовым линиям магнита

Магнитное поле — определение, виды

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 материально, то есть 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).

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.

А вот и видео эксперимента:


Источник: YouTube-канал «ШКОЛА ОНЛАЙН»

Убедиться во всех физических явлениях с помощью экспериментов поможет современная школа Skysmart. Обучение строится на понимании процессов — ученики изучают разные опыты и даже проводят свои.

А еще решают захватывающие задачки на интерактивной платформе с мгновенной проверкой, отслеживают прогресс в личном кабинете и задают учителю любые — даже самые неловкие — вопросы. Запишите ребенка на бесплатный вводный урок и начните дружить с физикой уже завтра!

Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

При подключении к двум параллельным проводникам электрического тока, они будут притягиваться или отталкиваться, в зависимости от направления (полярности) подключенного тока. Это объясняется явлением возникновения материи особого рода вокруг этих проводников. Эта материя называется магнитное поле (МП). Магнитной силой называется сила, с которой проводники действуют друг на друга.

Магнитное поле

Теория магнетизма возникла еще в древности, в античной цивилизации Азии. В Магнезии в горах нашли особую породу, куски которой могли притягиваться между собой. По названию места эту породу назвали «магнетиками». Стержневой магнит содержит два полюса.

На полюсах особенно сильно обнаруживаются его магнитные свойства.

Магнит, висящий на нитке, своими полюсами будет показывать стороны горизонта. Его полюса будут повернуты на север и юг. На таком принципе действует устройство компаса. Разноименные полюсы двух магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются.

Ученые обнаружили, что намагниченная стрелка, находящаяся возле проводника, отклоняется при прохождении по нему электрического тока. Это говорит о том, что вокруг него образуется МП.

Магнитное поле оказывает влияние на:
  • Перемещающиеся электрические заряды.
  • Вещества, называемые ферромагнетиками: железо, чугун, их сплавы.

Постоянные магниты – тела, имеющие общий магнитный момент заряженных частиц (электронов).

1 — Южный полюс магнита
2 — Северный полюс магнита
3 — МП на примере металлических опилок
4 — Направление магнитного поля

Силовые линии появляются при приближении постоянного магнита к бумажному листу, на который насыпан слой железных опилок. На рисунке четко видны места полюсов с ориентированными силовыми линиями.

Источники магнитного поля
  • Электрическое поле, меняющееся во времени.
  • Подвижные заряды.
  • Постоянные магниты.

С детства нам знакомы постоянные магниты. Они использовались в качестве игрушек, которые притягивали к себе различные металлические детали. Их прикрепляли к холодильнику, они были встроены в различные игрушки.

Электрические заряды, которые находятся в движении, чаще всего имеют больше магнитной энергии, по сравнению с постоянными магнитами.

Свойства
  • Главным отличительным признаком и свойством магнитного поля является относительность. Если неподвижно оставить заряженное тело в некоторой системе отсчета, а рядом расположить магнитную стрелку, то она укажет на север, и при этом не «почувствует» постороннего поля, кроме поля земли. А если заряженное тело начать двигать возле стрелки, то вокруг тела появится МП. В результате становится ясно, что МП формируется только при передвижении некоторого заряда.
  • Магнитное поле способно воздействовать и влиять на электрический ток. Его можно обнаружить, если проконтролировать движение заряженных электронов. В магнитном поле частицы с зарядом отклонятся, проводники с протекающим током будут перемещаться. Рамка с подключенным питанием тока станет поворачиваться, а намагниченные материалы переместятся на некоторое расстояние. Стрелка компаса чаще всего окрашивается в синий цвет. Она является полоской намагниченной стали. Компас ориентируется всегда на север, так как у Земли есть МП. Вся планета – это как большой магнит со своими полюсами.

Магнитное поле не воспринимается человеческими органами, и может фиксироваться только особыми приборами и датчиками. Оно бывает переменного и постоянного вида. Переменное поле обычно создается специальными индукторами, которые функционируют от переменного тока. Постоянное поле формируется неизменным электрическим полем.

Основные правила
Правило буравчика

Силовая линия изображается в плоскости, которая расположена под углом 900 к пути движения тока таким образом, чтобы в каждой точке сила была направлена по касательной к линии.

Чтобы определить направление магнитных сил, нужно вспомнить правило буравчика с правой резьбой.

Буравчик нужно расположить по одной оси с вектором тока, рукоятку вращать таким образом, чтобы буравчик двигался в сторону его направления. В этом случае ориентация линий определится вращением рукоятки буравчика.

Правило буравчика для кольца

Поступательное перемещение буравчика в проводнике, выполненном в виде кольца, показывает, как ориентирована индукция, вращение совпадает с течением тока.

Силовые линии имеют свое продолжение внутри магнита и не могут быть разомкнутыми.

Магнитное поле разных источников суммируются между собой. При этом они создают общее поле.

Магниты с одинаковыми полюсами отталкиваются, а с разными – притягиваются. Значение силы взаимодействия зависит от удаленности между ними. При приближении полюсов сила возрастает.

Параметры магнитного поля
  • Сцепление потоков (Ψ).
  • Вектор магнитной индукции (В).
  • Магнитный поток (Ф).

Интенсивность магнитного поля вычисляется размером вектора магнитной индукции, которая зависит от силы F, и формируется током I по проводнику, имеющему длину l: В = F / (I * l).

Магнитная индукция измеряется в Тесла (Тл), в честь ученого, изучавшего явления магнетизма и занимавшегося их методами расчета. 1 Тл равна индукции магнитного потока силой 1 Н на длине 1 м прямого проводника, находящегося под углом 900 к направлению поля, при протекающем токе в один ампер:

1 Тл = 1 х Н / (А х м).

Правило левой руки

Правило находит направление вектора магнитной индукции.

Если ладонь левой руки разместить в поле, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь из северного полюса под 900, а 4 пальца разместить по течению тока, большой палец покажет направление магнитной силы.

Если проводник находится под другим углом, то сила будет прямо зависеть от тока и проекции проводника на плоскость, находящуюся под прямым углом.

Сила не зависит от вида материала проводника и его сечения. Если проводник отсутствует, а заряды движутся в другой среде, то сила не изменится.

При направлении вектора магнитного поля в одну сторону одной величины, поле называется равномерным. Различные среды влияют на размер вектора индукции.

Магнитный поток

Магнитная индукция, проходящая по некоторой площади S и ограниченная этой площадью, является магнитным потоком.

Если площадь имеет наклон на некоторый угол α к линии индукции, магнитный поток снижается на размер косинуса этого угла. Наибольшая его величина образуется при нахождении площади под прямым углом к магнитной индукции:

Ф = В * S.

Магнитный поток измеряется в такой единице, как «вебер», который равен протеканием индукции величиной 1 Тл по площади в 1 м2.

Потокосцепление

Такое понятие применяется для создания общего значения магнитного потока, который создан от некоторого числа проводников, находящихся между магнитными полюсами.

В случае, когда одинаковый ток I протекает по обмотке с количеством витков n, общий магнитный поток, образованный всеми витками, является потокосцеплением.

Потокосцепление Ψ измеряется в веберах, и равно: Ψ = n * Ф.

Магнитные свойства

Магнитная проницаемость определяет, насколько магнитное поле в определенной среде ниже или выше индукции поля в вакууме. Вещество называют намагниченным, если оно образует свое магнитное поле. При помещении вещества в магнитное поле у него появляется намагниченность.

Ученые определили причину, по которой тела получают магнитные свойства. Согласно гипотезе ученых внутри веществ есть электрические токи микроскопической величины. Электрон обладает своим магнитным моментом, который имеет квантовую природу, движется по некоторой орбите в атомах. Именно такими малыми токами определяются магнитные свойства.

Если токи движутся беспорядочно, то магнитные поля, вызываемые ими, самокомпенсируются. Внешнее поле делает токи упорядоченными, поэтому формируется магнитное поле. Это является намагниченностью вещества.

Различные вещества можно разделить по свойствам взаимодействия с магнитными полями. Их разделяют на группы:
  • Парамагнетики – вещества, имеющие свойства намагничивания в направлении внешнего поля, обладающие низкой возможностью магнетизма. Они имеют положительную напряженность поля. К таким веществам относят хлорное железо, марганец, платину и т. д.
  • Ферримагнетики – вещества с неуравновешенными по направлению и значению магнитными моментами. В них характерно наличие некомпенсированного антиферромагнетизма. Напряженность поля и температура влияет на их магнитную восприимчивость (различные оксиды).
  • Ферромагнетики – вещества с повышенной положительной восприимчивостью, зависящей от напряженности и температуры (кристаллы кобальта, никеля и т. д.).
  • Диамагнетики – обладают свойством намагничивания в противоположном направлении внешнего поля, то есть, отрицательное значение магнитной восприимчивости, не зависящая от напряженности. При отсутствии поля у этого вещества не будет магнитных свойств. К таким веществам относятся: серебро, висмут, азот, цинк, водород и другие вещества.
  • Антиферромагнетики – обладают уравновешенным магнитным моментом, вследствие чего образуется низкая степень намагничивания вещества. У них при нагревании осуществляется фазовый переход вещества, при котором возникают парамагнитные свойства. При снижении температуры ниже определенной границы, такие свойства появляться не будут (хром, марганец).
Рассмотренные магнетики также классифицируются еще по двум категориям:
  • Магнитомягкие материалы. Они обладают низкой коэрцитивной силой. При маломощных магнитных полях они могут войти в насыщение. При процессе перемагничивания у них наблюдаются незначительные потери. Вследствие этого такие материалы используются для производства сердечников электрических устройств, функционирующих на переменном напряжении (асинхронный электродвигатель, генератор, трансформатор).
  • Магнитотвердые материалы. Они обладают повышенной величиной коэрцитивной силы. Чтобы их перемагнитить, потребуется сильное магнитное поле. Такие материалы используются в производстве постоянных магнитов.

Магнитные свойства различных веществ находят свое использование в технических проектах и изобретениях.

Магнитные цепи

Объединение нескольких магнитных веществ называется магнитной цепью. Они являются подобием электрических цепей и определяются аналогичными законами математики.

На базе магнитных цепей действуют электрические приборы, индуктивности, трансформаторы. У функционирующего электромагнита поток протекает по магнитопроводу, изготовленному из ферромагнитного материала и воздуху, который не является ферромагнетиком. Объединение этих компонентов является магнитной цепью. Множество электрических устройств в своей конструкции содержат магнитные цепи.

Похожие темы:

Из-за чего образуется магнитное поле

Действие магнитного поля распространяется на все виды жизни на Земле и жизни планет. Эта материя, с помощью которой взаимодействуют заряженные частицы. 

Магнит – это предмет, который долгое время находится в одном состоянии, в намагниченном состоянии. С помощью этого свойства такие предметы, как магниты притягивают другие предметы, состоящие из железа и их сплавов. Магниты имеют два полюса – северный и южный, самое сильное магнитное поле располагается около полюсов. 

Магниты бывают натуральными, сделанные из железной руды магнитного железняка. Также магниты бывают искусственными, произведенные человеком. Их делают путем внесения железа в магнитное поле. 

Магнитное поле бывает отрицательным и положительным. Два отрицательных поля и два положительных поля отталкиваются друг от друга, а два поля с разными полюсами будут притягиваться. Это происходит из-за взаимодействия друг с другом магнитных полей. Магнитное поле – вещь не постоянная. Оно может внезапно появиться и внезапно пропасть, все зависит от внешних факторов, влияющих на магнитное поле. 

Элементарные магнитные поля создаются благодаря движению электронов вокруг ядра атома и движению вокруг своей оси. Само магнитное поле образуется благодаря внесению железного предмета во внешнее магнитное поле, тогда элементарные магнитные поля в железном предмете ориентируются во внешнем магнитном поле абсолютно одинаково. После этих небольших преобразований обычный предмет из железа становится магнитом, со своими магнитными полями. 

Действие магнитного поля влияет только на самого себя, а на электрическое поле оно никак не влияет. Есть электрическая заряженная частица, которая непременно движется, вокруг этой частицу и существует магнитное поле. Есть вторая электрическая заряженная частица, вокруг которой также существует магнитное поле. И эти два магнитных поля друг с другом взаимодействуют. 
Действие магнитного поля – это взаимодействия нескольких тел, такие как притягивание и отталкивание. Различаются эти взаимодействия только по интенсивности действия. Например, все электрические двигатели работают по принципу взаимного магнитного отталкивания. 

Наша планета, Земля, как и многие другие планеты, имеет магнитное поле. Магнитное поле Земли возникло из-за того, что наше планета постоянно движется вокруг Солнца и вокруг своей оси. Ядро нашей планеты состоит металла и является проводником электричества. Магнитное поле оказывает благотворное влияние на жизнь целой планеты и взаимодействия около земного пространства. Например, магнитное поле защищает все живое на земле от неблагоприятных воздействий солнца. Также защищает искусственные спутники Земли. Даже красивые полярные сияния вызваны магнитным полем Земли.

Магнитное поле создается только

Автор На чтение 14 мин. Опубликовано

Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.

Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.

За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.

В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц. На рисунке ниже, электроны движутся по проводнику справа налево. Но считается, что электрический ток направлен слева направо.

Это произошло потому, что когда начали изучение электрические явления, не было известно, какими именно носителями чаще всего переносится ток.

Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.

Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.

Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.

Ведь здесь тоже имеет место направленное движение заряда. А направленное движение зарядов есть электрический ток. Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.

Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.

Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.

Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:

Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).

Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.

А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.

Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.

Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.

Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса. Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:

При вращении незаряженного диска, магнитные поля не обнаруживались. Не было магнитных полей и вблизи неподвижных заряженных дисков.

Модель магнитного поля движущегося заряда

Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.

Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.

Когда мы движемся сквозь эту трехмерную «паутину», из-за вращения руки, она, деформируясь, смещается по часовой стрелке, образуя подобие спирали, словно бы наматываясь в катушку вокруг заряда.

Сзади, за нами, «паутина» восстанавливает свою правильную структуру. Примерно так можно представлять себе магнитное поле положительного заряда, движущегося прямо.

А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.

Если при ходьбе вы будете поворачивать направо, то «горб» (северный полюс) сформируется снизу.

Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».

Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.

И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.

У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).

Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:

Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.

Кроме того, могут суммироваться или вычитаться друг из друга магнитные поля других электронов атома. Этим объясняется наличие или отсутствие магнетизма (реакции на внешнее магнитное поле или наличие собственного магнитного поля) некоторых веществ.

Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia

UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов. Возможно, Хабр не место для подобных вещей, Но где место? Нет его.

Тема: что собой представляет магнитное поле, его принцип действия.

Многие знают о существовании так называемого магнитного поля. Самым распространенным предметом, вокруг которого оно существует является обычный постоянный магнит. Что мы о нем знаем и как он себя обычно проявляет? Это кусок из твердого материала, притягивающий к себе железные предметы. Он может иметь любую форму, ее предают при изготовлении с учетом конкретного предназначения магнита. Магниты имеют полюса — южный и северный. Если взять два куска магнита и попытаться их соединить, то в одном случае они попытаются притянутся друг к другу, а в другом случае они будут стремится оттолкнуться. Одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Помимо этого если одни целый магнит разбить на два куска (не важно, будут ли он и равны или нет) мы получим уже два разных магнита, у которых будут свои магнитные полюса и своя интенсивность притягивания. В этом случае сила магнетизма будет зависеть от размеров этих самых магнитов. Почему же так происходит? В чем заключается суть этих интересных явлений, связанных с магнетизмом?

А суть магнитного поля заключается в следующем. Из школьной физики вы должны были помнить, что существуют так называемые электрические заряды (электроны и ионы). В твердых веществах носителями электрических зарядов являются электроны, а в жидких и газообразных — ионы. Магнитные поля, как и любые другие поля, являются особым видом материи, которая проявляет себя в виде некой силы, невидимой глазу. Хотя точнее будет, пожалуй, говорить электромагнитные поля так как именно в суммарной форме они себя проявляют (электрическое и магнитное поле).

Итак, магнитное поле существует вокруг движущегося электрического заряда. Именно движущегося. Вокруг электрических зарядов, что находятся в статическом состоянии существует только электрическое поле. Но поскольку заряды находятся в постоянном движении, то речь скорей идет о интенсивности этого движения. Одно дело когда электроны (частицы, имеющие отрицательный электрический заряд) просто сконцентрированы в металлическом шаре (максимальным будет именно электрическое поле вокруг шара) и в этом случае их динамическое движение будет гораздо меньше проявляться нежели в случае их непосредственного движения по проводнику (именно тут мы увидим максимальное магнитное поле) от одного полюса источника питания к другому.

Получается, что суть магнитного поля заключается в его образовании именно вокруг движущихся электрических зарядов. И чем быстрее будет двигаться заряд по проводнику, тем больше будет интенсивность магнитного поля вокруг этого самого заряда. Кроме этого магнитные поля могут суммироваться если они имеют одну и ту же направленность. После чего уже имеем — чем быстрее движется электрический заряд и чем больше количество этих зарядов, движение которых совпадает по направлению, тем сильнее будет электромагнитное поле вокруг этих зарядов (и вокруг этого электрического проводника, по которому они перемещаются).

Теперь можно понять, почему вокруг обычной медной катушки, по которой течет постоянный ток, появляется магнитное поле и от чего зависит его интенсивность. Просто само движение тока, электронов (заряженных частиц с отрицательным знаком) по катушки и порождает электромагнитные поля. И чем больше количество витков у этой катушки, больше ток, проходящий по ней, тем больше и сила магнитного поля вокруг нее. А почему тогда лампочка, по которой бежит ток, не имеет такого магнитного поля (интенсивного) как у катушки? Просто электрическая энергия у лампочки больше расходуется именно на свет и тепло, и в меньшей степени на электромагнитное поле. В то время как у плотно намотанной, сконцентрированной катушки большая часть электрической энергии тратится именно на создание магнитного поля и совсем незначительная его часть на выделение тепла.

А как работают постоянные магниты? Ведь по ним же не течет ток. Токи есть, только это микротоки, порождаемые движением электронов внутри самого вещества. Тут все дело в однонаправленности этих токов и способности вещества удерживать постоянное состояние этой однонаправленности. Движение электронов присутствует во всех веществах, но вот магнитные свойства проявляются только у тех, которые обладают ферромагнитными свойствами. Ферромагнетики, это вещества, которые легко могут менять (при определенных условиях) и стабильно удерживать определенную внутреннюю структуру своих частиц, влияющую на магнитные свойства этого вещества.

Итак, мы берем вещество, с хорошими ферромагнитными свойствами, помещаем его в постоянное электромагнитное поле высокой интенсивности, после чего наблюдаем перестраивание внутренней структуры этого вещества. Появляется однонаправленность его магнитных частиц. В итоге, это вещество само становится магнитом. Все его внутреннии частички (атомы, молекулы) с одной стороны образовали южный магнитный полюс, а с другой стороны — северный. В результате мы получили обычный магнит. Если этот магнит поместить в переменное магнитное поле (большой интенсивности), сильно нагреть, подвергать сильным механическим ударам, то в итоге мы может размагнитить наше ферромагнитное вещество. Оно утратит свои магнитные свойства.

Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами, поэтому само понятие возникло в электродинамике одновременно с понятием “электрическое поле”. Оно было введено сначала М. Фарадеем, а чуть позже – Дж. Максвеллом, чтобы объяснить, почему электрические заряды имеют такую относительно небольшую дальность взаимодействия.

В эфире

Отцы электродинамики считали, что поле создается путем деформации эфира – невидимой умозрительной среды, заполняющей все сущее (Эйнштейн во время работы над теорией относительности упразднил понятие эфира). Хотя современным людям это и может показаться странным, но до 20 века физики действительно не сомневались в некой субстанции, пронизывающей все сущее. То, как магнитные поля создаются и какова их природа, физики не могли объяснить.

Когда в обиход вошла специальная теория относительности (СТО), а эфир “официально убрали”, пространство стало “пустым”, однако поля даже в вакууме продолжали взаимодействовать, а ведь это невозможно между нематериальными объектами (по крайней мере согласно СТО), поэтому физики сочли нужным присвоить некоторые атрибуты электрическим и магнитным полям. Создаются такие понятия, как масса, импульс и энергия полей.

Свойства магнитного поля

Первое его свойство объясняет природу происхождения: магнитное поле может возникнуть только под воздействием движущихся зарядов (электронов) электрического тока. Силовая характеристика магнитного поля называется магнитной индукцией, она присутствует в любой точке поля.

Воздействие поля распространяется только на движущиеся заряды, магниты и проводники. Оно может быть двух типов: переменного и постоянного. Измерить магнитное поле можно только с помощью специальных приборов, оно не фиксируется человеческими органами чувств (хотя биологи считают, что некоторые животные могут воспринимать изменения в нем). Суть еще одного свойства магнитного поля состоит в том, что оно имеет электродинамическую природу не только потому, что может влиять только на движущиеся заряды, но и потому, что само порождается движением зарядов.

Как увидеть

Хотя органы чувств человека и не могут зафиксировать присутствие магнитного поля, его направление можно определить с помощью намагниченной стрелки. Однако “увидеть” магнитное поле можно с помощью листа бумаги и простых железных опилок. На постоянный магнит необходимо положить лист бумаги, а опилки посыпать сверху, после чего железная стружка выстроится по замкнутым и непрерывным силовым линиям.

Направленность силовых линий определяется с помощью правила правой руки, которое также носит название “правило буравчика”. Если взять проводник в руку таким образом, чтобы большой палец был по направлению тока (ток движется от минуса к плюсу), то остальные пальцы укажут направление силовых линий.

Геомагнетизм

Магнитные поля создаются движущимися зарядами, но тогда какова природа геомагнетизма? Наша планета обладает магнитным полем, которое защищает ее от вредного солнечного излучения, причем диаметр поля в несколько раз превосходит диаметр Земли. По форме оно неоднородно, на “солнечной стороне” сжимается под воздействием солнечного ветра, а с ночной стороны растягивается в виде длинного широкого хвоста.

Считается, что на нашей планете магнитные поля создаются движением токов в ядре, которое состоит из жидкого металла. Это называется “гидромагнитное динамо”. Когда вещество достигает температуры в несколько тысяч градусов по Кельвину, его проводимость становится достаточно высокой, чтобы движения, даже в среде со слабым намагничиванием, начали создавать электрические токи, которые, в свою очередь, и создают магнитные поля.

В локальных областях магнитные поля создаются намагниченными горными породами из верхних слоев планеты, образующих земную кору.

Движение полюсов

С 1885 года началась регистрация движения магнитных полюсов. За последний век южный полюс (полюс в Южном полушарии) переместился на 900 километров, а северный (арктический) магнитный полюс с 1973 года за 11 лет переместился на 120 км, а за следующие десять лет – еще на 150. Согласно последним данным, скорость смещения арктического полюса увеличилась с 10 километров в год до 60.

Хотя ученые знают, как создается магнитное поле Земли, повлиять на движение полюсов не могут и предполагают, что довольно скоро произойдет очередная инверсия. Это естественный процесс, такое на планете не впервые, однако чем подобный процесс обернется для людей – неизвестно.

Вопросы § 34

1.Что является источником магнитного поля?

Магнитное поле порождается электрическим током (направленным движением заряженных ча­стиц).

2. Чем создаётся магнитное поле постоянного магнита?

Магнитное поле постоянного магнита созда­ется за счет того, что внутренние кольцевые токи в нем ориентированы одинаково и усиливают друг друга.

3. Что такое магнитные линии? Что принимают за их направление в какой-либо её точке?

Магнитные линии или линии магнитного поля — используемые для наглядности воображае­мые линии — направление которых в каждой точ­ке совпадает с направлением маленькой магнитной стрелки, помещенной в магнитное поле.

4. Как располагаются магнитные стрелки в магнитном поле, линии которого прямолинейны; криволинейны?

В магнитном поле с прямолинейными и кри­волинейными линиями стрелки будут располагать­ся по касательной к магнитным линиям.

5. О чём можно судить по картине линий магнитного поля?

О направлении и величине магнитного поля.

6. Какое магнитное поле — однородное или неоднородное — образуется вокруг полосового магнита; вокруг прямолинейного проводника с током; внутри соленоида, длина которого значительно больше его диаметра?

Неоднородное магнитное поле: вокруг по­лосового магнита и прямолинейного проводника с током. Однородное магнитное поле: внутри соляноида.

7. Что можно сказать о модуле и направлении силы, действующей на магнитную стрелку в разных точках неоднородного магнитного поля; однородного магнитного поля?

Сила, действующая на магнитную стрелку в однородном поле, в разных точках имеет одинако­вый модуль и направление. В неоднородном поле они различны.

8. Чем отличается расположение магнитных линий в неоднородном и однородном магнитных полях?

В однородном поле магнитные линии распо­ложены параллельно друг другу и с одинаковой густотой. В неоднородном магнитном поле их гу­стота и их направления могут отличаются, одна­ко они никогда не пересекаются.

Как создаются магнитные поля – Видео и стенограмма урока

Токопроводящие проводники

Эксперимент XIX века показал, что провод, по которому проходит электрический ток, является магнитом. Поскольку все электроны движутся по проводу в одном направлении, вокруг провода создается четко определенное магнитное поле. Сила магнитного поля пропорциональна величине тока, протекающего по проводу. Другими словами, увеличение тока увеличивает силу магнитного поля.Итак, если провода такие магнитные, почему мы не видим, как скрепки и вилки летают по комнате и прилипают к ним? Причина в том, что магнитное поле не очень сильно при нормальном, повседневном уровне электрического тока. Нам нужно будет немного поработать, чтобы превратить проволоку в полезный магнит.

Электромагниты

Поместив ферромагнитные материалы в электрическую катушку, вы можете усилить электромагнит.

Электромагнит – это магнит, который использует электрический ток для создания своего магнитного поля.Это отличается от постоянных магнитов, таких как те, что есть в вашем холодильнике, которые полагаются на магнитные свойства атомов в материале для создания магнитного поля. На данный момент наш электромагнит представляет собой просто провод, но магнитное поле слишком слабое, чтобы сделать что-либо практичное. Однако, если мы согнем провод вокруг и вокруг, чтобы сформировать катушку, магнитные поля петель будут концентрироваться в центре. Чтобы еще больше усилить этот эффект, мы можем намотать несколько слоев проволоки друг на друга. Использование большего количества витков провода увеличивает силу магнитного поля.Это явное улучшение по сравнению с нашим одиночным проводом, которое использовалось ранее, но все еще недостаточно прочное, чтобы быть действительно практичным.

Мы можем сделать наш электромагнит в несколько тысяч раз сильнее, поместив сердечник из ферромагнитного материала, такого как железо, в центр катушки. Ферромагнитные материалы содержат так называемые магнитные домены, которые представляют собой области в материале, которые действуют как крошечные магниты. Обычно домены имеют произвольную конфигурацию, и материал не проявляет никакого магнетизма.Однако при воздействии магнитного поля, такого как создаваемое нашей катушкой с проволокой, домены начинают выравниваться, и отдельные магнитные поля объединяются в большее поле.

Степень выравнивания домена зависит от силы магнитного поля, создаваемого катушкой, которое, как мы узнали ранее, может контролироваться величиной тока, протекающего через провод. Не менее важно то, что при отключении тока магнитные домены возвращаются к своей случайной конфигурации, и электромагнит теряет почти весь свой магнетизм.Возможность управлять очень мощным магнитом с помощью переключателя имеет множество практических применений.

Электромагниты в действии

Мы используем электромагниты каждый день, даже не осознавая этого. Их можно найти буквально на тысячах различных устройств, потому что они очень полезны. Например, их можно использовать для подъема стали на свалке металлолома, для звонка в школьный звонок на перемену и даже для левитации высокоскоростных поездов. Знаете ли вы, что в динамиках используются электромагниты? Выступающие пользуются преимуществом того факта, что силой электромагнита можно управлять, регулируя электрический ток.

Источник звука посылает ток на электромагнит в динамике, который управляет звуком, который мы слышим.

Динамик имеет постоянный магнит, установленный на раме, и небольшой электромагнит, прикрепленный к гибкому конусу. Источник звука, например радио, посылает переменный ток на электромагнит, который изменяет то, насколько сильно электромагнит реагирует на магнитное поле постоянного магнита. Это контролирует движение конуса, который производит амплитуду и частоту звука, который мы слышим.Как видите, электромагниты дают нам возможность преобразовывать электрический ток в полезную механическую силу, которую можно использовать во всех сферах применения.

Краткое содержание урока

Все магнитные поля создаются движущимися заряженными частицами. Стационарные заряженные частицы не создают магнитных полей. Электромагнит – это магнит, который использует электрический ток для создания магнитного поля. Простейший электромагнит – это просто провод, по которому проходит ток, который создает магнитное поле по всей длине провода.Если обернуть провод в катушку, магнитное поле в центре катушки становится сильнее. Добавление ферромагнитного сердечника в центр катушки резко увеличивает напряженность магнитного поля.

Ферромагнитные материалы содержат магнитные домены произвольной формы, которые выравниваются под действием магнитного поля. Выравнивание этих доменов объединяет их индивидуальные магнитные поля в одно сильное поле. Изменение тока в проводе вызывает разную степень выравнивания и, следовательно, общую силу электромагнита.Возможность электрического управления магнетизмом электромагнита привела к множеству практических применений.

Результаты обучения

После просмотра этого урока вы сможете делать следующее:

  • Объяснять, как создаются магнитные поля с помощью электричества
  • Определить электромагнит
  • Опишите, как добавление ферромагнитного материала к проводу увеличивает напряженность магнитного поля.
  • Приведите примеры повседневного применения электромагнитов

Магнитные поля и линии магнитного поля

Цель обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Определение магнитного поля и описание силовых линий различных магнитных полей.

Говорят, что в детстве Эйнштейн был очарован компасом, возможно, размышляя о том, как стрелка ощущала силу без прямого физического контакта. Его способность глубоко и ясно мыслить о действиях на расстоянии, особенно о гравитационных, электрических и магнитных силах, позже позволила ему создать свою революционную теорию относительности. Поскольку магнитные силы действуют на расстоянии, мы определяем магнитное поле для представления магнитных сил. Графическое изображение линий магнитного поля очень полезно для визуализации силы и направления магнитного поля.Как показано на Фиг.1, направление линий магнитного поля определяется как направление, в котором указывает северный конец стрелки компаса. Магнитное поле традиционно называют B -field .

Рис. 1. Линии магнитного поля определяются так, чтобы они имели направление, которое указывает маленький компас при размещении в определенном месте. (a) Если для отображения магнитного поля вокруг стержневого магнита используются небольшие компасы, они будут указывать в показанных направлениях: от северного полюса магнита к южному полюсу магнита.(Напомним, что северный магнитный полюс Земли на самом деле является южным полюсом с точки зрения определения полюсов стержневого магнита.) (B) Соединение стрелок дает непрерывные линии магнитного поля. Сила поля пропорциональна близости (или плотности) линий. (c) Если бы можно было исследовать внутреннюю часть магнита, было бы обнаружено, что силовые линии образуют непрерывные замкнутые контуры.

Маленькие компасы, используемые для проверки магнитного поля, его не побеспокоят. (Это аналогично тому, как мы проверяли электрические поля с помощью небольшого пробного заряда.В обоих случаях поля представляют только объект, создающий их, а не зонд, проверяющий их.) На рисунке 2 показано, как магнитное поле появляется для токовой петли и длинного прямого провода, что можно было бы исследовать с помощью небольших компасов. Небольшой компас, помещенный в эти поля, выровняется параллельно линии поля в своем местоположении, а его северный полюс будет указывать в направлении B . Обратите внимание на символы, используемые для ввода и вывода из бумаги.

Рис. 2. Маленькие компасы можно использовать для картирования полей, показанных здесь.(а) Магнитное поле круговой токовой петли похоже на магнитное поле стержневого магнита. (б) Длинный и прямой провод создает поле с силовыми линиями магнитного поля, образующими кольцевые петли. (c) Когда проволока находится в плоскости бумаги, поле перпендикулярно бумаге. Обратите внимание, что символы, используемые для поля, указывающего внутрь (например, хвоста стрелки), и поля, указывающего наружу (например, кончика стрелки).

Установление соединений: концепция поля

Поле – это способ отображения сил, окружающих любой объект, которые могут воздействовать на другой объект на расстоянии без видимой физической связи.Поле представляет объект, его генерирующий. Гравитационные поля отображают гравитационные силы, электрические поля отображают электрические силы, а магнитные поля отображают магнитные силы.

Обширные исследования магнитных полей выявили ряд жестких правил. Мы используем линии магнитного поля для представления поля (линии – это графический инструмент, а не физическая сущность сами по себе). Свойства силовых линий магнитного поля можно описать следующими правилами:

  1. Направление магнитного поля касается силовой линии в любой точке пространства.Маленький компас укажет направление линии поля.
  2. Сила поля пропорциональна близости линий. Он точно пропорционален количеству линий на единицу площади, перпендикулярной линиям (так называемая поверхностная плотность).
  3. Силовые линии магнитного поля никогда не могут пересекаться, а это означает, что поле уникально в любой точке пространства.
  4. Линии магнитного поля непрерывны, образуют замкнутые контуры без начала и конца. Они идут от северного полюса к южному полюсу.

Последнее свойство связано с тем, что северный и южный полюса не могут быть разделены. Это явное отличие от силовых линий электрического поля, которые начинаются и заканчиваются на положительных и отрицательных зарядах. Если бы магнитные монополи существовали, то силовые линии магнитного поля начинались бы и заканчивались на них.

Сводка раздела

  • Магнитные поля могут быть графически представлены силовыми линиями магнитного поля, свойства которых следующие:
    • Поле касается линии магнитного поля.
    • Напряженность поля пропорциональна линейной плотности.
    • Линии поля не могут пересекаться.
    • Полевые линии представляют собой непрерывные петли.

Концептуальные вопросы

  1. Объясните, почему магнитное поле не может быть уникальным (то есть не иметь единственного значения) в точке пространства, где силовые линии магнитного поля могут пересекаться. (Учтите направление поля в такой точке.)
  2. Перечислите сходства силовых линий магнитного и электрического поля.Например, направление поля касается линии в любой точке пространства. Также укажите, чем они отличаются. Например, электрическая сила параллельна силовым линиям электрического поля, тогда как магнитная сила, действующая на движущиеся заряды, перпендикулярна силовым линиям магнитного поля.
  3. Заметив, что силовые линии магнитного поля стержневого магнита напоминают силовые линии пары равных и противоположных зарядов, ожидаете ли вы, что магнитное поле будет быстро уменьшаться в силе по мере удаления от магнита? Это согласуется с вашим опытом работы с магнитами?
  4. Магнитное поле Земли параллельно земле во всех местах? Если нет, то где она параллельна поверхности? Его сила одинакова во всех местах? Если нет, то где оно больше всего?

Глоссарий

магнитное поле:
представление магнитных сил
B -поле:
другой термин для обозначения магнитного поля
силовые линии магнитного поля:
графическое изображение силы и направления магнитного поля
направление силовых линий магнитного поля:
направление, на которое указывает северный конец стрелки компаса

Что такое магнетизм? | Магнитные поля и магнитная сила

Магнетизм – это один из аспектов комбинированной электромагнитной силы.Это относится к физическим явлениям, возникающим из-за силы, вызванной магнитами, объектами, которые создают поля, которые притягивают или отталкивают другие объекты.

Согласно веб-сайту HyperPhysics Университета штата Джорджия, магнитное поле воздействует на частицы в поле за счет силы Лоренца. Движение электрически заряженных частиц порождает магнетизм. Сила, действующая на электрически заряженную частицу в магнитном поле, зависит от величины заряда, скорости частицы и силы магнитного поля.

Все материалы обладают магнетизмом, некоторые сильнее, чем другие. Постоянные магниты, сделанные из таких материалов, как железо, испытывают сильнейшее воздействие, известное как ферромагнетизм. За редким исключением, это единственная форма магнетизма, достаточно сильная, чтобы ее могли почувствовать люди.

Противоположности притягиваются

Магнитные поля генерируются вращающимися электрическими зарядами, согласно HyperPhysics. Все электроны обладают свойством углового момента или спина. Большинство электронов имеют тенденцию образовывать пары, в которых один из них имеет «спин вверх», а другой – «спин вниз», в соответствии с принципом исключения Паули, который гласит, что два электрона не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии одновременно.В этом случае их магнитные поля направлены в противоположные стороны, поэтому они компенсируют друг друга. Однако некоторые атомы содержат один или несколько неспаренных электронов, спин которых может создавать направленное магнитное поле. По данным Ресурсного центра неразрушающего контроля (NDT), направление их вращения определяет направление магнитного поля. Когда значительное большинство неспаренных электронов выровнены своими спинами в одном направлении, они объединяются, чтобы создать магнитное поле, достаточно сильное, чтобы его можно было почувствовать в макроскопическом масштабе.

Источники магнитного поля дипольные, с северным и южным магнитными полюсами. По словам Джозефа Беккера из Университета Сан-Хосе, противоположные полюса (северный и южный) притягиваются, а подобные полюса (северный и северный или южный и южный) отталкиваются. Это создает тороидальное поле или поле в форме пончика, поскольку направление поля распространяется наружу от северного полюса и входит через южный полюс.

Земля сама по себе является гигантским магнитом. Согласно HyperPhysics, планета получает свое магнитное поле от циркулирующих электрических токов внутри расплавленного металлического ядра.Компас указывает на север, потому что маленькая магнитная стрелка в нем подвешена, так что он может свободно вращаться внутри корпуса, выравниваясь с магнитным полем планеты. Как ни парадоксально, то, что мы называем Северным магнитным полюсом, на самом деле является южным магнитным полюсом, потому что он притягивает северные магнитные полюса стрелок компаса.

Ферромагнетизм

Если выравнивание неспаренных электронов продолжается без приложения внешнего магнитного поля или электрического тока, образуется постоянный магнит.Постоянные магниты – результат ферромагнетизма. Приставка «ферро» относится к железу, потому что постоянный магнетизм впервые наблюдался в форме естественной железной руды, называемой магнетитом, Fe 3 O 4 . Кусочки магнетита можно найти разбросанными на поверхности земли или вблизи нее, и иногда они намагничиваются. Эти встречающиеся в природе магниты называются магнитными камнями. «Мы до сих пор не уверены в их происхождении, но большинство ученых считают, что магнитный камень – это магнетит, в который попала молния», – говорится в сообщении Университета Аризоны.

Вскоре люди узнали, что можно намагнитить железную иглу, поглаживая ее магнитом, в результате чего большинство неспаренных электронов в игле выстраиваются в одном направлении. По данным НАСА, примерно в 1000 году нашей эры китайцы обнаружили, что магнит, плавающий в чаше с водой, всегда выстраивался в направлении север-юг. Таким образом, магнитный компас стал огромным помощником в навигации, особенно днем ​​и ночью, когда звезды были скрыты облаками.

Было обнаружено, что другие металлы, помимо железа, обладают ферромагнитными свойствами.К ним относятся никель, кобальт и некоторые редкоземельные металлы, такие как самарий или неодим, которые используются для создания сверхпрочных постоянных магнитов.

Другие формы магнетизма

Магнетизм принимает множество других форм, но, за исключением ферромагнетизма, они обычно слишком слабы, чтобы их можно было наблюдать за исключением чувствительных лабораторных приборов или при очень низких температурах. Диамагнетизм был впервые открыт в 1778 году Антоном Бругнамсом, который использовал постоянные магниты в поисках материалов, содержащих железо.По словам Джеральда Кюстлера, широко публикуемого независимого немецкого исследователя и изобретателя, в его статье «Диамагнитная левитация – исторические вехи», опубликованной в Румынском журнале технических наук, Бругнамс заметил: «Только темный и почти фиолетовый висмут проявлял конкретное явление в исследовании; потому что, когда я положил его кусок на круглый лист бумаги, плавающий на воде, он оттолкнулся обоими полюсами магнита ».

Было установлено, что висмут обладает самым сильным диамагнетизмом из всех элементов, но, как обнаружил Майкл Фарадей в 1845 году, это свойство всей материи отталкиваться магнитным полем.

Диамагнетизм вызван орбитальным движением электронов, создающих крошечные токовые петли, которые создают слабые магнитные поля, согласно HyperPhysics. Когда к материалу прикладывается внешнее магнитное поле, эти токовые петли имеют тенденцию выравниваться таким образом, чтобы противостоять приложенному полю. Это заставляет все материалы отталкиваться постоянным магнитом; однако результирующая сила обычно слишком мала, чтобы быть заметной. Однако есть некоторые заметные исключения.

Пиролитический углерод, вещество, похожее на графит, демонстрирует даже более сильный диамагнетизм, чем висмут, хотя и только вдоль одной оси, и фактически может подниматься над сверхсильным редкоземельным магнитом.Некоторые сверхпроводящие материалы демонстрируют еще более сильный диамагнетизм ниже своей критической температуры, поэтому над ними можно левитировать редкоземельные магниты. (Теоретически из-за их взаимного отталкивания один может левитировать над другим.)

Парамагнетизм возникает, когда материал временно становится магнитным при помещении в магнитное поле и возвращается в немагнитное состояние, как только внешнее поле удаляется. При приложении магнитного поля некоторые из неспаренных электронных спинов выравниваются с полем и преодолевают противоположную силу, создаваемую диамагнетизмом.Однако, по словам Дэниела Марша, профессора физики Южного государственного университета Миссури, эффект заметен только при очень низких температурах.

Другие, более сложные формы включают антиферромагнетизм, при котором магнитные поля атомов или молекул выстраиваются рядом друг с другом; и поведение спинового стекла, которое включает как ферромагнитные, так и антиферромагнитные взаимодействия. Кроме того, ферримагнетизм можно рассматривать как комбинацию ферромагнетизма и антиферромагнетизма из-за множества общих черт между ними, но, по данным Калифорнийского университета в Дэвисе, он все же имеет свою уникальность.

Электромагнетизм

Когда провод перемещается в магнитном поле, поле индуцирует ток в проводе. И наоборот, магнитное поле создается движущимся электрическим зарядом. Это соответствует закону индукции Фарадея, который лежит в основе электромагнитов, электродвигателей и генераторов. Заряд, движущийся по прямой линии, как по прямому проводу, создает магнитное поле, которое вращается вокруг провода по спирали. Когда этот провод превращается в петлю, поле приобретает форму пончика или тора.Согласно Руководству по магнитной записи (Springer, 1998) Marvin Cameras, это магнитное поле можно значительно усилить, поместив ферромагнитный металлический сердечник внутрь катушки.

В некоторых приложениях постоянный ток используется для создания постоянного поля в одном направлении, которое можно включать и выключать вместе с током. Это поле может затем отклонить подвижный железный рычаг, вызывая слышимый щелчок. Это основа телеграфа, изобретенного в 1830-х годах Сэмюэлем Ф. Б. Морсом, который позволял осуществлять связь на большие расстояния по проводам с использованием двоичного кода, основанного на импульсах большой и малой длительности.Импульсы посылались опытными операторами, которые быстро включали и выключали ток с помощью подпружиненного переключателя с мгновенным контактом или ключа. Другой оператор на принимающей стороне затем переводил слышимые щелчки обратно в буквы и слова.

Катушка вокруг магнита также может двигаться по шаблону с изменяющейся частотой и амплитудой, чтобы индуцировать ток в катушке. Это основа для ряда устройств, в первую очередь для микрофона. Звук заставляет диафрагму двигаться внутрь и наружу с волнами переменного давления.Если диафрагма соединена с подвижной магнитной катушкой вокруг магнитопровода, она будет производить переменный ток, аналогичный падающим звуковым волнам. Затем этот электрический сигнал может быть усилен, записан или передан по желанию. Крошечные сверхсильные магниты из редкоземельных металлов теперь используются для изготовления миниатюрных микрофонов для сотовых телефонов, сообщил Марш Live Science.

Когда этот модулированный электрический сигнал подается на катушку, он создает колеблющееся магнитное поле, которое заставляет катушку двигаться внутрь и наружу по магнитному сердечнику по той же схеме.Затем катушка прикрепляется к подвижному диффузору динамика, чтобы он мог воспроизводить слышимые звуковые волны в воздухе. Первым практическим применением микрофона и динамика был телефон, запатентованный Александром Грэмом Беллом в 1876 году. Хотя эта технология была усовершенствована и усовершенствована, она все еще является основой для записи и воспроизведения звука.

Применение электромагнитов практически бесчисленное множество. Закон индукции Фарадея составляет основу многих аспектов нашего современного общества, включая не только электродвигатели и генераторы, но и электромагниты всех размеров.Тот же принцип, который используется гигантским краном для подъема старых автомобилей на свалку металлолома, также используется для выравнивания микроскопических магнитных частиц на жестком диске компьютера для хранения двоичных данных, и каждый день разрабатываются новые приложения.

Штатный писатель Таня Льюис внесла свой вклад в этот отчет.

Дополнительные ресурсы

электромагнетизм – Как движущиеся заряды создают магнитные поля?

Если вы плохо знакомы со специальной теорией относительности, невозможно по-настоящему объяснить это явление.Лучшее, что можно сделать, – это дать вам правил , пропитанных эзотерическими идеями, такими как «электромагнитное поле» и «лоренц-инвариантность». Конечно, это не то, что вам нужно, и это правильно, поскольку физика никогда не должна сводиться к безосновательному принятию правил, установленных свыше.

Дело в том, что магнетизм – это не что иное, как электростатика в сочетании со специальной теорией относительности . К сожалению, вы не найдете много книг, объясняющих это – либо авторы ошибочно полагают, что уравнения Максвелла не имеют оправдания и должны приниматься на веру, либо они слишком погрязли в своих собственных эзотерических обозначениях, чтобы остановиться, чтобы задуматься о том, что они говорят.Единственная известная мне книга, которая правильно трактует эту тему, – это книга Перселла «Электричество и магнетизм », которая недавно была переиздана в третьем издании. (Второе издание отлично подойдет, если вы сможете найти копию.)

Краткий эвристический набросок идеи заключается в следующем. Предположим, есть линия положительных зарядов, движущаяся по оси $ z $ в положительном направлении – ток. Рассмотрим положительный заряд $ q $, расположенный в $ (x, y, z) = (1,0,0) $, движущийся в отрицательном направлении $ z $.Мы видим, что из-за всех этих зарядов на $ q $ будет некоторая электростатическая сила.

Но давайте попробуем что-нибудь безумное – давайте перейдем к системе отсчета $ q $. В конце концов, законы физики должны соблюдаться со всех точек зрения. Ясно, что заряды, составляющие ток, в этой системе координат будут двигаться быстрее. Но это мало что дает, поскольку в конце концов кулоновская сила явно не заботится о скорости зарядов, а только об их разделении. Но специальная теория относительности говорит нам о другом.2} $, где $ v $ – скорость $ q $ в исходном кадре. Это знаменитое сокращение длины, предсказанное специальной теорией относительности.

Если текущие заряды окажутся ближе друг к другу, то очевидно, что $ q $ будет ощущать большую электростатическую силу от оси $ z $ в целом. Он будет испытывать дополнительную силу в положительном направлении $ x $, от оси, сверх того, что мы ожидали, просто сидя в лабораторной раме. По сути, закон Кулона – это закон силы только , действующий на заряд, но только система покоя заряда действительна для использования этого закона для определения силы, которую испытывает заряд.

Вместо того, чтобы постоянно переключаться между кадрами, мы изобретаем магнитное поле как математическое устройство, которое выполняет то же самое. При правильном определении он будет полностью объяснять эту аномальную силу, по-видимому, испытываемую зарядом, когда мы наблюдаем его не в его собственной системе покоя. В примере, который я только что рассмотрел, правило правой руки говорит вам, что мы должны приписать магнитное поле току, вращающемуся вокруг оси $ z $ таким образом, чтобы он указывал в положительном направлении $ y $ в месте расположения $ q $.Скорость заряда находится в отрицательном направлении $ z $, и поэтому $ q \ vec {v} \ times \ vec {B} $ указывает в положительном направлении $ x $, как мы узнали из изменения системы отсчета. .

Подвержены ли движущиеся заряды магнитному полю, которое они создают при движении, образуя ток? Если нет, то как может быть самоиндукция?

Ни Кулон, ни Био-Савар не являются правильными уравнениями для электромагнитного поля, за исключением статики. Существуют обобщения, зависящие от времени, такие как уравнений Ефименко .3 \ vec r ‘$$ где $ t_r $ на самом деле является функцией $ \ vec r ‘$, а именно $ t_r = t- \ frac {| \ vec r- \ vec r’ |} {c}. $

Они сводятся к Кулону и Био-Савару только тогда, когда эти производные по времени точно равны нулю, что является статикой. Итак, Ефименко является примером собственных законов, зависящих от времени, для электромагнитного поля. Обратите внимание, что как электрическая, так и магнитная части электромагнитного поля имеют части, которые зависят от изменения тока во времени. Закон Фарадея связывает эти два понятия.

И следующий факт также является ключевым: ЭДС вокруг неподвижного провода составляет 100% из-за электрического поля . И если у вас есть вселенная с нейтральными объектами повсюду, то Ефименко предсказывает, что электрическое поле исключительно и на 100% вызвано изменением во времени тока. И я имею в виду причину, как причину и следствие. Уравнения являются причинными, поскольку заряд (и изменение заряда) и ток (и изменение тока) – это вещи в прошлом ($ t_r \ leq t $), которые влияют на настоящее.

Итак, давайте рассмотрим. Кулон и Био-Савар неверны, когда они не в статике. Самоиндукция неподвижного провода вызывается электрическими полями, создающими отличную от нуля ЭДС.Эти электрические поля вызваны изменяющимися во времени токами . И да, эти изменяющиеся во времени токи также вызывают (и да, я имею в виду причину) магнитные поля.

И когда люди говорят, что изменяющиеся электрические поля вызывают магнитные поля и наоборот, они не являются причиной такого рода, когда одно вызывает другое, они просто равны равенству , поскольку они связывают две вещи, которые происходят одновременно. Причинность связывает настоящее (следствия) с прошлым (причины).Цитата Ефименко:

ни уравнения Максвелла, ни их решения не указывают на существование причинно-следственных связей между электрическими и магнитными полями. Следовательно, мы должны заключить, что электромагнитное поле – это двойная сущность, всегда имеющая электрическую и магнитную составляющие одновременно, создаваемые их общими источниками: переменными во времени электрическими зарядами и токами (курсив добавлен).

Теперь перейдем к самостоятельным полям. Легко представить, что каждый заряд реагирует только на поля других зарядов.Но не следует упрощать излишне при рассмотрении радиационной реакции, и других подобных осложнений.

На самом деле у вас есть начисления и поля. И вы должны указать и то, и другое. У каждого есть энергия, у каждого есть импульс, и они обмениваются энергией и импульсом друг с другом. Поля – это не просто математическая фикция для вычисления сил между частицами, это реальные объекты со своими степенями свободы, своей собственной энергией, импульсом и даже напряжением.

Затем вы можете узнать энергию и импульс полей и зарядов, а затем выяснить, как они обмениваются энергией и импульсом между собой.

Но, как все говорили, самодействие может быть только в том случае, если заряды излучают.

Это не то, что все говорят. Самостоятельная сила гораздо более универсальна, чем силы радиационной реакции. В наиболее распространенном случае гармонического движения частица получает столько же энергии, сколько теряет от индуктивных полей (поля Шотта, которые падают быстрее, чем поля излучения, но все же сохраняют энергию), и только в среднем теряют энергию радиационным полям. .

Многие люди изучают это.Стивен Лайл написал целую книгу только о равномерно ускоряющейся заряженной частице и целую книгу о силах собственного тела. Герберт Спон написал целую книгу о взаимосвязанной динамике электромагнитных полей и зарядов. А Фриц Рорлих написал классическую книгу о классических заряженных частицах. И это всего лишь книги, наверное, ежегодно публикуется не менее дюжины статей по этой теме, по крайней мере, за последние сто лет.

Итак. Есть много собственных сил. Споры продолжаются по сей день о том, является ли изменение силы, рывок (изменение ускорения) или само ускорение, которое вызывает внутренние силы.Или это что-то совсем другое.

Имейте в виду, что в учебном случае с проводом классического размера обычно обсуждаются макроскопические поля, когда вы усредняете достаточно большое количество атомов, чтобы поля, заряд и ток стали более гладкими полями, которые не прыгают из-за тепловых эффектов или в зависимости от того, где вы находитесь в решетке твердого тела. И когда кто-то действительно заботится об этих эффектах, они используют статистическую физику и / или квантовую физику. Не только чистый Максвелл.

3. Магнетизм и токи – Физика LibreTexts

В предыдущем разделе мы узнали, что магнитное поле влияет на движущиеся заряды. Согласно третьему закону Ньютона движущиеся заряды должны оказывать равную и противоположную силу на все, что создает поле \ (\ mathbf {B} \). Другими словами, движущийся заряд должен создавать собственное поле \ (\ mathbf {B} \)! Используя третий закон Ньютона, мы можем завершить начатое нами ранее описание косвенной модели:

\ [\ text {Перемещение зарядов} \ xrightarrow {\ text {создает поле}} \ mathbf {B} \ xrightarrow {\ text {воздействует на}} \ text {Перемещение зарядов} \]

Как мы узнали из Physics 7B, движущиеся заряды составляют электрический ток; концепция, которая особенно полезна, если у нас есть постоянный поток заряда.Учитывая отдельный заряд \ (q \), косвенная модель принимает вид:

\ [\ text {Current} \ xrightarrow {\ text {создает поле}} \ mathbf {B} \ xrightarrow {\ text {воздействует на}} \ text {Moving charge} q \]

Хотя мы это выяснили, далеко не ясно, какое отношение имеют токи и движущиеся заряды к чему-либо, связанному с магнитами на холодильник или стержневыми магнитами, которые знакомят нас с магнетизмом. По сути, мы обманули: идеи о том, как магнитное поле влияет на движущиеся заряды, не были известны до середины 1800-х годов.До этого о магнетизме было известно только то, что некоторые материалы могут создавать магнитные поля, которые притягивают (или отталкивают) определенные виды других подобных материалов, и что у Земли было собственное магнитное поле, которое выравнивает эти магнитные материалы. Эти факты были известны грекам еще в 600 году до нашей эры. Вопрос о том, почему одни материалы являются магнитными, а другие – нет, и какое явление создает эти магнитные поля, не рассматривался до 1820 года.

В 1820 году голландский физик Ганс Кристиан Эрстед поставил эксперимент, чтобы показать, что большие электрические токи можно использовать для нагрева провода.Демонстрируя это группе студентов в своем доме, он заметил, что компас на его книжной полке меняет направление всякий раз, когда его «чайник» включается. После месяцев исследований Эрстед пришел к выводу, что электрический ток может создать магнитное поле . В то время это было большой новостью, потому что до этого было известно, что только магнитные поля влияют на другие магнитные материалы. Это был переломный момент в истории науки, поскольку это было первое звено между электрическими и магнитными явлениями.Первоначально мы воспринимаем их как две разные силы, два разных поля. Открытие Эрстеда стало первым шагом на пути, который привел человечество к выводу о том, что эти, казалось бы, несходные явления на самом деле связаны. Это объединение, казалось бы, разрозненных идей до сих пор лежит в основе фундаментальных исследований: большие надежды возлагаются на возможное объединение всех сил в природе.

Что такое магнит?

Открытие взаимосвязи электричества и магнетизма произвело огромную революцию в науке, но теперь мы хотим вернуться к нашему вопросу о том, что делает магнит магнитом.Эрстед показал нам, что электрические токи создают магнитное поле, но где же токи в намагниченном куске железа? Люди не могли ответить на этот вопрос до конца 1800-х годов, и даже тогда их встретили скептически. Ответ основывался на существовании атомов: короче говоря, выяснилось, что происхождение магнетизма – это электрические токи, создаваемые электронами, вращающимися вокруг атомных ядер (то есть образующими петлю с током).

Магнетизм некоторых материалов также зависит от ориентации спина. Spin наделяет электроны собственным угловым моментом. Этот «собственный спин» может иметь только два возможных значения (вы, возможно, слышали, что электрон может «вращаться вверх» или «вниз» на уроках физики или химии). Спин – это чисто квантово-механическое явление, но, чтобы размышлять о магнетизме в нашем текущем обсуждении, рассмотрим спин как дополнительный способ создания петли тока (наименьшей из возможных!)

Факт существования атомов – это то, что мы сейчас принимаем как должное, но большинство ученых считали это смехотворным до 1905 года (во многом благодаря отдельному вкладу Эйнштейна)! Они рассуждали, что все, что они видели в движении, теряет энергию из-за трения, и идея о постоянном движении электронов в атомах казалась им абсурдной.

Магнитные только некоторые материалы

Подводя итог, все наши эксперименты указывают на следующее открытие: чтобы получить магнитное поле, нам нужно чистое движение заряда. Как эта идея объясняет магнетизм материалов? Представьте себе гелий, атом с двумя электронами. Теперь, если эти электроны вращаются в противоположных направлениях, создаваемые ими токи будут противоположны друг другу. Магнитное поле одного токового контура нейтрализует магнитное поле другого, что приводит к отсутствию чистого магнитного поля.Спин также влияет на магнитное поле, и если спины направлены в одном направлении (вверх или вниз), поле становится сильнее, а если они выровнены в противоположных направлениях, поле становится слабее. В гелии спины двух электронов спарены вверх-вниз, поэтому гелий не будет очень магнитным. Оказывается, гелий является «антимагнитом» и пытается остановить любое магнитное поле, проходящее через него. Этот эффект называется диамагнетизмом и является проявлением закона Ленца, который мы еще не рассмотрели.{23} \) атомы, крошечные эффекты, такие как эффекты между атомами, могут стать большими, если каждый атом вносит в него свой вклад. Сильно магнитные материалы обычно являются металлами, потому что у металлов есть много внешних электронов, которые действуют так, как будто они «свободные», и могут сильно взаимодействовать с внешними полями и друг с другом.

Мы видим, что магнетизм сводится к влиянию движущихся зарядов на другие движущиеся заряды. Неудивительно, что объяснение феномена стержневых магнитов заняло так много времени; это потребовало случайного наблюдения того, как два внешне непохожих явления (электричество и магнетизм) влияют друг на друга ( и ) на атомную модель.Мы уже изучили, как магнитное поле влияет на движущийся заряд. Теперь обратимся к количественному вопросу о том, как именно ток создает магнитное поле.

Поле, производимое длинным прямым проводом

Сначала мы рассмотрим простой тестовый пример: длинный прямой провод, по которому проходит ток. Мы хотим понять магнитное поле, создаваемое этим проводом, то есть насколько оно сильное по величине, куда он указывает (напомним, что это вектор) и как оно изменяется в зависимости от положения. Другими словами, мы хотим отобразить поле \ (\ mathbf {B} \).

Мы повторим некоторые шаги Эрстеда. Он показал, что проводник с током создает магнитное поле. Простой способ продемонстрировать это – разместить несколько стрелок компаса в горизонтальной плоскости (например, на поверхности стола) рядом с длинной проволокой, расположенной вертикально (идущей вверх и вниз по поверхности стола). Предположим, что текущее направление идет снизу вверх по таблице. Когда в проводе нет тока, все иглы указывают в одном направлении (магнитный север).Как только по проволоке начнет течь ток, все иглы отклонятся. Мы создали магнитное поле!

Первое, что замечаешь при проведении этого эксперимента, – это то, что иглы ориентируются по узнаваемому образцу; Если мы нарисуем круг на столе с проволокой в ​​центре и разместим циркуль по кругу, мы заметим, что все стрелки циркуля будут ориентироваться на по касательной к кругу . Другими словами, силовые линии для \ (\ mathbf {B} \) от длинного прямого провода на расстоянии \ (r \) от провода будут иметь форму концентрических окружностей радиуса \ (r \).Для нашего эксперимента с током, выходящим из стола, мы обнаружили, что направление поля \ (\ mathbf {B} \) направлено против часовой стрелки по окружностям. Если мы изменим направление течения, стрелки компаса по-прежнему будут указывать касательную к окружности, но теперь их северные полюса будут указывать по часовой стрелке.

Правило правой руки

Это наблюдение относительно направления поля \ (\ mathbf {B} \) можно резюмировать следующим удобным правилом: правило правой руки № 1 (RHR № 1): направьте большой палец правой руки вдоль провод по направлению обычного (положительного) тока.Теперь ваши пальцы будут естественно изгибаться в направлении магнитного поля.

Что мы можем сделать о величине магнитного поля? В силу симметрии магнитное поле должно иметь одинаковую величину по всей окружности. Почему это? Каждая точка на окружности находится на одинаковом расстоянии от проволоки и на одинаковом расстоянии \ (r \) от проволоки. Точно так же, если провод бесконечно длинный, мы можем разместить горизонтальную плоскость (с циркулем на ней) в любом месте вдоль провода.Перемещение этой горизонтальной плоскости вверх или вниз по проволоке также не должно повлиять на наши результаты. Чтобы быть математически точным, мы можем установить плоскость провода как плоскость x-y, а направление вдоль провода как ось z. Мы видим, что в силу симметрии магнитное поле не зависит от координаты z.

Отображение поля

Давайте математически соотнесем каждую величину, о которой мы говорили. Мы ожидаем, что величина поля в любой точке будет зависеть только от перпендикулярного расстояния \ (r \) между проводом и этой точкой.Все точки, находящиеся на одинаковом расстоянии \ (r \), будут иметь одинаковую величину (поэтому стрелка компаса вращается вокруг проволоки, расположенной по кругу с радиусом \ (r \)). Также неудивительно, что величина поля будет больше, если у нас будет больший ток. Оказывается, величина пропорциональна току. Точно так же вы, вероятно, ожидаете, что если мы начнем удаляться от провода, магнитное поле будет тем слабее, чем дальше мы будем двигаться. Уравнение, связывающее все эти величины с величиной магнитного поля в точке \ (\ overrightarrow {r} \):

\ [| \ mathbf {B} (\ overrightarrow {r}) | = \ dfrac {\ mu_0 I} {2 \ pi r} \]

где \ (I \) – ток в проводе, а \ (r \) – перпендикулярное расстояние от провода до интересующей нас точки.3 \ text {m / s} \) параллельно проводу, в том же направлении, что и ток, на расстоянии \ (1.0 \ text {cm} \) от провода. Найдите величину и направление магнитной силы, действующей на протон магнитным полем, создаваемым проволокой.

Решение

a) Мы используем наше уравнение \ (| \ mathbf {B} (\ overrightarrow {r}) | = \ frac {\ mu_0 I} {2 \ pi r} \), чтобы найти текущий \ (I \ ). Как только мы находим ток, мы устанавливаем поле равным \ (1 \ text {T} \) и решаем расстояние \ (r \) от провода.{-7} \ text {T m / A} \] \ [I = 10 \ text {A} \]

Решить для \ (r \) с новым \ (\ mathbf {B} \): \ [r = \ mu_0 I / 2 \ pi | \ mathbf {B} | = 2 \ mathrm {\ mu m} \]

b) Чтобы найти силу, действующую на протон, мы должны знать направление \ (\ mathbf {B} \) в месте расположения протона, и отсюда мы можем определить направление силы и ее величину.

Направление \ (\ mathbf {B} \): Из правила правой руки, приведенного выше, мы находим, что магнитное поле, создаваемое проводом в месте расположения протона, проникает на страницу.

Направление \ (\ mathbf {F} \): По правилу правой руки № 2 магнитная сила на протоне направлена ​​к проводу.

Величина \ (\ mathbf {F} \): Мы знаем, что \ (| \ mathbf {B} | = 0.1 \ text {T} \) на расстоянии 2 см от провода. На расстоянии 1 см от провода, поскольку \ (| \ mathbf {B} | \ propto 1 / r \), мы должны иметь \ (| \ mathbf {B} | = 0.2 \ text {T} \). Теперь вставим \ (\ mathbf {B} \) в уравнение для магнитной силы \ [\ mathbf {F} = q | \ mathbf {v} || \ mathbf {B} | \ sin \ theta \] \ [\ mathbf {F} = (1.{-17} \ text {N} \]

Поле, создаваемое круговым током

Теперь мы хотели бы описать магнитное поле из другой простой конфигурации электрического тока. Рассмотрим катушку радиуса \ (r_0 \), состоящую из \ (N \) петель проволоки, по каждой из которых протекает ток \ (I \). Для простоты мы принимаем соглашение, согласно которому ось катушки является осью z. Эта конфигурация показана ниже в двух представлениях.

Предположим, нас интересует магнитное поле вдоль оси катушки в точке \ (P \), на расстоянии \ (z \) вдоль оси от катушки.Мы можем рассматривать катушку как \ (N \) копии одной петли тока \ (I \) или как одну петлю с током \ (NI \). Если мы применим правило правой руки к небольшому фрагменту этих циклов, мы обнаружим, что независимо от того, какую часть цикла мы выберем, результирующее \ (\ mathbf {B} \) – поле указывает вверх в нашей позиции \ ( P \) или любую точку на оси катушки (оси z).

Имеет смысл, что величина \ (\ mathbf {B} \) будет уменьшаться по мере удаления от катушки. Также имеет смысл, что величина будет прямо пропорциональна количеству проводных петель и току, протекающему через петлю.3} \]

А что, если вместо этого нас интересует магнитное поле в точке \ (Q \), которая находится в плоскости катушки? Снова обратимся к правилу правой руки для токов. Обратите внимание, что на этот раз не все части цикла вносят вклад в поле \ (\ mathbf {B} \) в одном и том же направлении. Сторона петли, ближайшая к \ (Q \), дает вклад в поле в направлении вниз и , а сторона, наиболее удаленная от \ (Q \), дает вклад в направлении вверх и . Поскольку напряженность поля падает с расстоянием, ближайшая сторона имеет больший вклад, и общее поле находится в направлении вниз на .Но одно следствие состоит в том, что если \ (Q \) и \ (P \) были на одинаковом расстоянии от катушки, величина \ (\ mathbf {B} \) в \ (Q \) (в плоскости катушки ) значительно меньше, чем величина \ (\ mathbf {B} \) в \ (P \) (вдоль оси).

Общие силовые линии магнитного поля показаны на рисунке ниже с пометками \ (P \) и \ (Q \).

Обратите внимание на сходство между силовыми линиями поля и силовыми линиями стержневого магнита. Сходство демонстрирует, что магнитное поле постоянного магнита действительно можно описать как результат множества небольших токовых петель, выстроенных друг с другом.

20.1 Магнитные поля, силовые линии и сила – Физика

Задачи обучения разделу

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Обобщите свойства магнитов и опишите, как некоторые немагнитные материалы могут намагничиваться
  • Описывать и интерпретировать рисунки магнитных полей вокруг постоянных магнитов и токоведущих проводов
  • Рассчитайте величину и направление магнитной силы в магнитном поле и силы, действующей на провод с током в магнитном поле.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:

  • (5) Студент знает природу сил в физическом мире.Ожидается, что студент:
    • (G) исследуют и описывают взаимосвязь между электрическими и магнитными полями в таких приложениях, как генераторы, двигатели и трансформаторы.

Кроме того, лабораторное руководство по физике в средней школе рассматривает содержание этого раздела лаборатории под названием «Магнетизм», а также следующие стандарты:

  • (5) Научные концепции. Студент знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
    • (ГРАММ) исследовать и описывать взаимосвязь между электрическими и магнитными полями в таких приложениях, как генераторы, двигатели и трансформаторы.

Раздел Основные термины

Температура Кюри домен электромагнит электромагнетизм ферромагнетик
магнитный диполь магнитное поле магнитный полюс намагниченный северный полюс
постоянный магнит линейка правая соленоид Южный полюс

Магниты и намагничивание

Люди знали о магнитах и ​​магнетизме тысячи лет.Самые ранние записи относятся к древним временам, особенно в области Малой Азии под названием Магнезия – название этого региона является источником таких слов, как магнит . Магнитные породы, найденные в Магнезии, которая сейчас является частью западной Турции, вызвали интерес в древние времена. Когда люди впервые обнаружили магнитные породы, они, вероятно, обнаружили, что некоторые части этих пород притягивают куски железа или других магнитных пород сильнее, чем другие части. Эти области называются полюсами магнита.Магнитный полюс – это часть магнита, которая оказывает наибольшую силу на другие магниты или магнитный материал, например, железо. Например, полюса стержневого магнита, показанного на рисунке 20.2, являются местом сосредоточения скрепок.

Рис. 20.2 Стержневой магнит со скрепками, притянутыми к двум полюсам.

Если стержневой магнит подвешен так, что он свободно вращается, один полюс магнита всегда будет поворачиваться на север, а противоположный полюс – на юг. Это открытие привело к созданию компаса, который представляет собой просто небольшой удлиненный магнит, установленный так, чтобы он мог свободно вращаться.Пример компаса показан на рисунке 20.3. Полюс магнита, направленный на север, называется северным полюсом, а противоположный полюс магнита – южным.

Рис. 20.3 Компас – это удлиненный магнит, установленный в устройстве, которое позволяет магниту свободно вращаться.

Открытие того, что один полюс магнита ориентирован на север, а другой – на юг, позволило людям идентифицировать северный и южный полюса любого магнита. Затем было замечено, что северные полюса двух разных магнитов отталкиваются друг от друга, как и южные полюса.И наоборот, северный полюс одного магнита притягивает южный полюс других магнитов. Эта ситуация аналогична ситуации с электрическим зарядом, когда одинаковые заряды отталкиваются, а разные – притягиваются. В магнитах мы просто заменяем заряд на полюс : полюса отталкиваются, а полюса – притягиваются. Это показано на рисунке 20.4, на котором показано, как сила между магнитами зависит от их взаимной ориентации.

Рис. 20.4 В зависимости от их взаимной ориентации полюса магнита будут притягиваться друг к другу или отталкиваться.

Еще раз рассмотрим тот факт, что полюс магнита, направленный на север, называется северным полюсом магнита. Если противоположные полюса притягиваются, то магнитный полюс Земли, который находится близко к географическому Северному полюсу, должен быть магнитным южным полюсом! Точно так же магнитный полюс Земли, который находится близко к географическому Южному полюсу, должен быть магнитным северным полюсом. Эта ситуация изображена на рис. 20.5, на котором Земля представлена ​​как содержащая гигантский внутренний стержневой магнит с южным магнитным полюсом на географическом Северном полюсе и наоборот.Если бы мы каким-то образом подвесили гигантский стержневой магнит в космосе около Земли, то северный полюс космического магнита был бы притянут к южному полюсу внутреннего магнита Земли. По сути, именно это происходит со стрелкой компаса: ее северный магнитный полюс притягивается к южному полюсу внутреннего магнита Земли.

Рис. 20.5. Землю можно представить как содержащую гигантский магнит, проходящий через ее ядро. Южный магнитный полюс магнита Земли находится на географическом Северном полюсе, поэтому северный полюс магнитов притягивается к Северному полюсу, так северный полюс магнитов получил свое название.Точно так же южный полюс магнитов притягивается к географическому Южному полюсу Земли.

Что произойдет, если разрезать стержневой магнит пополам? Вы получаете один магнит с двумя южными полюсами и один магнит с двумя северными полюсами? Ответ отрицательный: каждая половина стержневого магнита имеет северный и южный полюсы. Вы даже можете продолжить разрезать каждую часть стержневого магнита пополам, и вы всегда получите новый, меньший магнит с двумя противоположными полюсами. Как показано на рисунке 20.6, вы можете продолжить этот процесс вплоть до атомного масштаба, и вы обнаружите, что даже самые маленькие частицы, которые ведут себя как магниты, имеют два противоположных полюса.Фактически, ни в одном эксперименте не было обнаружено никаких объектов с одним магнитным полюсом, от мельчайших субатомных частиц, таких как электроны, до крупнейших объектов во Вселенной, таких как звезды. Поскольку магниты всегда имеют два полюса, их называют магнитными диполями – di означает два . Ниже мы увидим, что магнитные диполи обладают свойствами, аналогичными электрическим диполям.

Рис. 20.6. Все магниты имеют два противоположных полюса, от самых маленьких, таких как субатомные частицы, до самых больших, таких как звезды.

Watch Physics

Введение в магнетизм

Это видео представляет интересное введение в магнетизм и обсуждает, в частности, как электроны вокруг своих атомов вносят вклад в наблюдаемые нами магнитные эффекты.

Проверка захвата

К какому магнитному полюсу Земли притягивается северный полюс стрелки компаса?

  1. Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Северного полюса Земли.
  2. Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Северного полюса Земли.
  3. Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Южного полюса Земли.
  4. Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен недалеко от географического Южного полюса Земли.

Только некоторые материалы, такие как железо, кобальт, никель и гадолиний, обладают сильными магнитными эффектами.Такие материалы называются ферромагнетиками, от латинского слова ferrum , обозначающего железо. Другие материалы обладают слабыми магнитными эффектами, которые можно обнаружить только с помощью чувствительных инструментов. Ферромагнитные материалы не только сильно реагируют на магниты – так, как железо притягивается к магнитам, – но они также могут намагничиваться сами, то есть их можно заставить быть магнитными или превратить в постоянные магниты (рис. 20.7). Постоянный магнит – это просто материал, который сохраняет свои магнитные свойства в течение длительного времени даже при воздействии размагничивающих воздействий.

Рисунок 20.7 Немагниченный кусок железа помещается между двумя магнитами, нагревается, а затем охлаждается, или просто постукивается в холодном состоянии. Утюг становится постоянным магнитом с выровненными полюсами, как показано: его южный полюс примыкает к северному полюсу исходного магнита, а его северный полюс примыкает к южному полюсу исходного магнита. Обратите внимание, что силы притяжения создаются между центральным магнитом и внешними магнитами.

Когда магнит приближается к ранее ненамагниченному ферромагнитному материалу, он вызывает локальное намагничивание материала с противоположными полюсами, расположенными ближе всего, как на правой стороне рисунка 20.7. Это вызывает силу притяжения, поэтому немагнитное железо притягивается к магниту.

То, что происходит в микроскопическом масштабе, показано на Рисунке 7 (а). Области внутри материала, называемые доменами, действуют как маленькие стержневые магниты. Внутри доменов выровнены магнитные полюса отдельных атомов. Каждый атом действует как крошечный стержневой магнит. В немагнитном ферромагнитном объекте домены имеют небольшие размеры и ориентированы случайным образом. В ответ на внешнее магнитное поле домены могут вырасти до миллиметра, выравниваясь, как показано на рисунке 7 (b).Это индуцированное намагничивание можно сделать постоянным, если материал нагреть, а затем охладить, или просто постучать в присутствии других магнитов.

Рис. 20.8 (a) Немагниченный кусок железа или другой ферромагнитный материал имеет произвольно ориентированные домены. (б) При намагничивании внешним магнитом домены демонстрируют большее выравнивание, и некоторые из них растут за счет других. Отдельные атомы выровнены внутри доменов; каждый атом действует как крошечный стержневой магнит.

И наоборот, постоянный магнит можно размагнитить сильными ударами или нагреванием в отсутствие другого магнита.Повышенное тепловое движение при более высокой температуре может нарушить и изменить ориентацию и размер доменов. Для ферромагнитных материалов существует четко определенная температура, называемая температурой Кюри, выше которой они не могут намагничиваться. Температура Кюри для железа составляет 1043 К (770 ° C ° C), что намного выше комнатной температуры. Есть несколько элементов и сплавов, которые имеют температуру Кюри намного ниже комнатной температуры и являются ферромагнитными только ниже этих температур.

Snap Lab

Магниты на холодильник

Мы знаем, что подобные магнитные полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются. Посмотрим, сможете ли вы показать это на примере двух магнитов на холодильник. Прилипнут ли магниты, если их перевернуть? Почему они вообще прилепляются к дверце холодильника? Что вы можете сказать о магнитных свойствах дверцы холодильника возле магнита? Магниты на холодильник прилипают к металлическим или пластиковым ложкам? Прилипают ли они ко всем типам металла?

Teacher Support
Teacher Support

Удерживание магнитного поля рядом с немагнитным ферромагнитным материалом приведет к магнитной поляризации ферромагнитного материала, в результате чего атомные магнитные диполи будут ориентированы на внешний магнит.Это похоже на электрическую поляризацию. Таким образом, ферромагнитный материал намагничивается в присутствии внешнего магнита, и два магнита притягиваются друг к другу. Чтобы магнит прилипал к дверце холодильника, дверца должна содержать какой-то ферромагнитный материал. Магниты будут прилипать к ложкам из железа, например к ложкам с железом, но не к ложкам из цветных металлов, таким как ложки из алюминия или серебра, и не будут прилипать к магниту. Магниты также не будут прилипать к пластиковым ложкам.

Проверка захвата

У вас есть один магнит с обозначенными северным и южным полюсами.Как вы можете использовать этот магнит для определения северного и южного полюсов других магнитов?

  1. Если северный полюс известного магнита отталкивается полюсом неизвестного магнита при приближении их, этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.
  2. Если северный полюс известного магнита притягивается к полюсу неизвестного магнита при приближении их, этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.

Магнитные поля

Таким образом, мы увидели, что силы могут применяться между магнитами, а также между магнитами и ферромагнитными материалами без какого-либо контакта между объектами.Это напоминает электрические силы, которые действуют на расстоянии. Электрические силы описываются с использованием концепции электрического поля, которое представляет собой силовое поле вокруг электрических зарядов, которое описывает силу, действующую на любой другой заряд, помещенный в это поле. Точно так же магнит создает вокруг себя магнитное поле, которое описывает силу, действующую на другие магниты, помещенные в это поле. Как и в случае с электрическими полями, графическое представление силовых линий магнитного поля очень полезно для визуализации силы и направления магнитного поля.

Как показано на рисунке 20.9, направление силовых линий магнитного поля определяется как направление, в котором указывает северный полюс стрелки компаса. Если вы поместите компас рядом с северным полюсом магнита, северный полюс стрелки компаса будет отталкиваться и указывать в сторону от магнита. Таким образом, силовые линии магнитного поля направлены от северного полюса магнита к его южному полюсу.

Рисунок 20.9 Черные линии представляют силовые линии магнитного поля стержневого магнита.Линии поля указывают в направлении, в котором будет указывать северный полюс небольшого компаса, как показано слева. Силовые линии магнитного поля никогда не останавливаются, поэтому силовые линии фактически проникают в магнит, образуя полные петли, как показано справа.

Силовые линии магнитного поля можно нанести на карту с помощью небольшого компаса. Компас перемещается от точки к точке вокруг магнита, и в каждой точке проводится короткая линия в направлении стрелки, как показано на рисунке 20.10. Соединение линий вместе показывает путь линии магнитного поля.Другой способ визуализировать силовые линии магнитного поля – это рассыпать железные опилки вокруг магнита. Опилки будут ориентироваться вдоль силовых линий магнитного поля, образуя узор, подобный изображенному справа на рис. 20.10.

Виртуальная физика

Использование компаса для построения карты магнитного поля

Эта симуляция представляет вам стержневой магнит и небольшой компас. Начните с перетаскивания компаса вокруг стержневого магнита, чтобы увидеть, в каком направлении направлено магнитное поле.Обратите внимание, что сила магнитного поля представлена ​​яркостью значков магнитного поля в сетке вокруг магнита. Используйте измеритель магнитного поля, чтобы проверить напряженность поля в нескольких точках вокруг стержневого магнита. Вы также можете изменить полярность магнита или поместить Землю на изображение, чтобы увидеть, как компас ориентируется.

Проверка захвата

С помощью ползунка в правом верхнем углу окна моделирования установите напряженность магнитного поля на 100 процентов.Теперь используйте измеритель магнитного поля, чтобы ответить на следующий вопрос: где магнитное поле самое сильное, а где самое слабое возле магнита? Не забудьте проверить стержневой магнит изнутри.

  1. Магнитное поле самое сильное в центре и самое слабое между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом. Силовые линии магнитного поля наиболее плотные в центре и наименее плотные между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом.
  2. Магнитное поле самое сильное в центре и самое слабое между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом.Линии магнитного поля наименее плотны в центре и наиболее плотны между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом.
  3. Магнитное поле самое слабое в центре и самое сильное между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом. Силовые линии магнитного поля наиболее плотные в центре и наименее плотные между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом.
  4. Магнитное поле самое слабое в центре и самое сильное между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом, а силовые линии магнитного поля наименее плотные в центре и самые плотные между двумя полюсами сразу за стержневым магнитом.

Рисунок 20.10 Силовые линии магнитного поля можно нарисовать, перемещая небольшой компас от точки к точке вокруг магнита. В каждой точке проведите короткую линию в направлении стрелки компаса. Соединение точек вместе показывает путь линий магнитного поля. Другой способ визуализировать силовые линии магнитного поля – это рассыпать железные опилки вокруг магнита, как показано справа.

Когда два магнита сближаются, силовые линии магнитного поля возмущаются, как это происходит с силовыми линиями электрического поля, когда соединяются два электрических заряда.Соединение двух северных полюсов или двух южных полюсов вызовет отталкивание, и силовые линии магнитного поля будут отклоняться друг от друга. Это показано на рисунке 20.11, где показаны силовые линии магнитного поля, созданные двумя близко расположенными северными полюсами стержневого магнита. Когда противоположные полюса двух магнитов сводятся вместе, силовые линии магнитного поля соединяются и становятся более плотными между полюсами. Эта ситуация показана на рисунке 20.11.

Рис. 20.11 (a) Когда два северных полюса сближаются, силовые линии магнитного поля отталкиваются друг от друга, и два магнита испытывают силу отталкивания.То же самое происходит, если два южных полюса сближаются. (b) Если противоположные полюса сближаются, силовые линии магнитного поля между полюсами становятся более плотными, и магниты испытывают силу притяжения.

Подобно электрическому полю, магнитное поле сильнее там, где линии более плотные. Таким образом, между двумя северными полюсами на рисунке 20.11 магнитное поле очень слабое, потому что плотность магнитного поля почти равна нулю. Компас, помещенный в эту точку, по сути, будет свободно вращаться, если мы не будем учитывать магнитное поле Земли.Напротив, силовые линии магнитного поля между северным и южным полюсами на рисунке 20.11 очень плотные, что указывает на то, что магнитное поле в этой области очень сильное. Компас, помещенный здесь, быстро выровнялся бы с магнитным полем и указывал бы на южный полюс справа.

Поддержка учителей

Поддержка учителей
Предупреждение о неправильном представлении

Плотность силовых линий магнитного поля на рисунке 20.11 указывает величину силы, которая будет приложена к небольшому испытательному магниту, помещенному в это поле.Плотность не указывает силу между двумя магнитами, создающими поле. Величина силы между двумя магнитами одинакова в обоих случаях на рисунке 20.11. Это можно понять, представив, что вы помещаете один из магнитов в поле другого магнита. Эта ситуация симметрична: магнитные поля выглядят одинаково – за исключением направления – для обеих ситуаций, показанных на рисунке 20.11. Поскольку магниты имеют одинаковую силу, они возмущают магнитное поле противоположного магнита, поэтому магнитное поле необходимо исследовать с помощью небольшого магнитного поля, такого как компас.

Обратите внимание, что магниты – не единственное, что создает магнитные поля. В начале девятнадцатого века люди обнаружили, что электрические токи вызывают магнитные эффекты. Первое важное наблюдение было сделано датским ученым Гансом Кристианом Эрстедом (1777–1851), который обнаружил, что стрелка компаса отклоняется проводом с током. Это было первое существенное свидетельство того, что движение электрических зарядов имеет какую-либо связь с магнитами. Электромагнит – это устройство, которое использует электрический ток для создания магнитного поля.Эти временно индуцированные магниты называются электромагнитами. Электромагниты используются во всем: от крана для разборки металлолома, который поднимает сломанные автомобили, до управления пучком ускорителя частиц с окружностью 90 км и магнитов в машинах для медицинской визуализации (см. Рис. 20.12).

Рисунок 20.12 Прибор для магнитно-резонансной томографии (МРТ). В устройстве используется электромагнит с цилиндрической катушкой для создания основного магнитного поля. Пациент проходит в туннель на каталке.(предоставлено Биллом МакЧесни, Flickr)

Магнитное поле, создаваемое электрическим током в длинном прямом проводе, показано на рисунке 20.13. Силовые линии магнитного поля образуют концентрические круги вокруг провода. Направление магнитного поля можно определить с помощью правила правой руки . Это правило проявляется в нескольких местах при изучении электричества и магнетизма. Применительно к прямому токонесущему проводу правило правой руки гласит, что когда большой палец правой руки направлен в направлении тока, магнитное поле будет в том направлении, в котором изгибаются ваши пальцы правой руки, как показано на рисунке 20.13. Если провод очень длинный по сравнению с расстоянием х от провода, сила магнитного поля B будет равна

. B прямой = μ0I2πrB прямой = μ0I2πr

20,1

, где I – ток в проводе в амперах. Единицей измерения магнитного поля в системе СИ является тесла (Тл). Символ μ0μ0 – читается как «мю-ноль» – это константа, называемая «проницаемостью свободного пространства», и задается как

. μ0 = 4π × 10−7T⋅m / A. μ0 = 4π × 10−7T⋅m / A.

20,2

Рисунок 20.13 На этом изображении показано, как использовать правило правой руки для определения направления магнитного поля, создаваемого током, протекающим по прямому проводу. Направьте большой палец правой руки в направлении тока, и магнитное поле будет в том направлении, в котором изгибаются ваши пальцы.

Watch Physics

Магнитное поле, создаваемое электрическим током

В этом видео описывается магнитное поле, создаваемое прямым проводом с током. Он переходит к правилу правой руки для определения направления магнитного поля, а также представляет и обсуждает формулу для силы магнитного поля, создаваемого прямым проводом с током.

Проверка захвата

Длинный прямой провод кладут на столешницу, и электрический ток течет по нему справа налево. Если вы посмотрите на конец провода с левого конца, магнитное поле движется по часовой стрелке или против часовой стрелки?

  1. Если направить большой палец правой руки в направлении, противоположном току, пальцы правой руки будут изгибаться против часовой стрелки, поэтому магнитное поле будет направлено против часовой стрелки.
  2. Если направить большой палец правой руки в направлении, противоположном току, пальцы правой руки будут изгибаться по часовой стрелке, поэтому магнитное поле будет направлено по часовой стрелке.
  3. Если направить большой палец правой руки в направлении тока, пальцы правой руки будут сгибаться против часовой стрелки, поэтому магнитное поле будет направлено против часовой стрелки.
  4. Если направить большой палец правой руки в направлении тока, пальцы правой руки будут изгибаться по часовой стрелке, поэтому магнитное поле будет направлено по часовой стрелке.

Теперь представьте, что наматывается проволока вокруг цилиндра, после чего цилиндр снят. В результате получается катушка с проволокой, как показано на рисунке 20.14. Это называется соленоидом. Чтобы найти направление магнитного поля, создаваемого соленоидом, примените правило правой руки к нескольким точкам катушки. Вы должны убедиться, что внутри катушки магнитное поле направлено слева направо. Фактически, еще одно применение правила правой руки – сгибать пальцы правой руки вокруг катушки в направлении, в котором течет ток. Затем ваш большой палец правой руки указывает в направлении магнитного поля внутри катушки: в данном случае слева направо.

Рисунок 20.14 Катушка с проводом, через которую проходит ток, как показано, создает магнитное поле в направлении красной стрелки.

Каждая петля из проволоки создает магнитное поле внутри соленоида. Поскольку силовые линии магнитного поля должны образовывать замкнутые петли, силовые линии замыкают петлю за пределами соленоида. Силовые линии магнитного поля внутри соленоида намного плотнее, чем вне соленоида. Результирующее магнитное поле очень похоже на магнитное поле стержневого магнита, как показано на рисунке 20.15. Напряженность магнитного поля внутри соленоида

. Bsolenoid = μ0NIℓ, Bsolenoid = μ0NIℓ,

20,3

, где N – количество витков в соленоиде, а ℓℓ – длина соленоида.

Рисунок 20.15 Железные опилки показывают картину магнитного поля вокруг (а) соленоида и (б) стержневого магнита. Картины полей очень похожи, особенно возле концов соленоида и стержневого магнита.

Виртуальная физика

Электромагниты

Используйте это моделирование для визуализации магнитного поля, созданного соленоидом.Обязательно щелкните вкладку с надписью «Электромагнит». Вы можете пропустить через соленоид переменный или постоянный ток, выбрав соответствующий источник тока. Используйте измеритель поля для измерения силы магнитного поля, а затем измените количество витков в соленоиде, чтобы увидеть, как это влияет на напряженность магнитного поля.

Проверка захвата

Выберите аккумулятор в качестве источника тока и установите количество витков на четыре. С ненулевым током, протекающим через соленоид, измерьте напряженность магнитного поля в точке.Теперь уменьшите количество проволочных петель до двух. Как изменится напряженность магнитного поля в выбранной вами точке?

  1. При уменьшении количества витков с четырех до двух напряженность магнитного поля не изменится.
  2. Напряженность магнитного поля уменьшается до половины своего первоначального значения, когда количество витков уменьшается с четырех до двух.
  3. Напряженность магнитного поля увеличивается вдвое от исходного значения, когда количество витков уменьшается с четырех до двух.
  4. Напряженность магнитного поля увеличивается в четыре раза от исходного значения, когда количество витков уменьшается с четырех до двух.

Магнитная сила

Если движущийся электрический заряд, то есть электрический ток, создает магнитное поле, которое может воздействовать на другой магнит, то по третьему закону Ньютона должно быть верно обратное. Другими словами, заряд, движущийся через магнитное поле, созданное другим объектом, должен испытывать силу – и это именно то, что мы находим.В качестве конкретного примера рассмотрим рисунок 20.16, на котором показан заряд q , движущийся со скоростью v → v → через магнитное поле B → B → между полюсами постоянного магнита. Величина F силы, испытываемой этим зарядом, равна

. F = qvBsinθ, F = qvBsinθ,

20,4

где θθ – угол между скоростью заряда и магнитным полем.

Направление силы может быть найдено с помощью другой версии правила правой руки: сначала мы соединяем хвосты вектора скорости и вектора магнитного поля, как показано на шаге 1 рисунка 20.16. Затем мы сгибаем пальцы правой руки от v → v → к B → B →, как показано в шаге (2) рисунка 20.16. Направление, в котором указывает большой палец правой руки, – это направление силы. Для заряда на рис. 20.16 мы обнаруживаем, что сила направлена ​​внутрь страницы.

Обратите внимание, что множитель sinθsinθ в уравнении F = qvBsinθF = qvBsinθ означает, что к заряду, движущемуся параллельно магнитному полю, приложена нулевая сила, поскольку θ = 0θ = 0 и sin0 = 0sin0 = 0. Максимальная сила, которую может испытывать заряд, – это когда он движется перпендикулярно магнитному полю, потому что θ = 90 ° θ = 90 °. и sin90 ° = 1.sin90 ° = 1.

Рис. 20.16 (а) Протон движется в однородном магнитном поле. (б) Используя правило правой руки, обнаруживается, что сила, действующая на протон, направлена ​​внутрь страницы.

Ссылки на физику

Магнитогидродинамический привод

В романе Тома Клэнси о холодной войне «Охота за Красный Октябрь» Советский Союз построил подводную лодку (см. Рис. 20.17) с магнитогидродинамическим приводом, который был настолько бесшумным, что его невозможно было обнаружить. надводные корабли. Единственная возможная цель создания такой подводной лодки заключалась в том, чтобы дать Советскому Союзу возможность первого удара, потому что эта подводная лодка могла подкрасться к побережью Соединенных Штатов и запустить баллистические ракеты, уничтожая ключевые военные и правительственные объекты, чтобы предотвратить американскую контратаку. .

Рисунок 20.17 Российская подводная лодка с баллистическими ракетами класса «Тайфун», на которой базировалась вымышленная подводная лодка «Красный Октябрь».

Магнитогидродинамический привод должен быть бесшумным, поскольку в нем нет движущихся частей. Вместо этого он использует силу, испытываемую заряженными частицами, движущимися в магнитном поле. Основная идея такого привода изображена на рис. 20.18. Соленая вода течет по каналу, идущему от носа к корме подводной лодки. Магнитное поле прикладывается горизонтально к каналу, а напряжение прикладывается к электродам в верхней и нижней части канала, чтобы направить нисходящий электрический ток через воду.Носителями заряда являются положительные ионы натрия и отрицательные ионы хлора соли. Используя правило правой руки, обнаруживается, что сила, действующая на носители заряда, направлена ​​к задней части судна. Ускоренные заряды сталкиваются с молекулами воды и передают свой импульс, создавая струю воды, которая вылетает из задней части канала. По третьему закону Ньютона на сосуд действует сила равной величины, но в противоположном направлении.

Рис. 20.18 Схематический чертеж магнитогидродинамического привода, показывающий водный канал, направление тока, направление магнитного поля и результирующую силу.

К счастью для всех, оказалось, что такая силовая установка не очень практична. Некоторые предварительные расчеты показывают, что для питания подводной лодки потребуются либо чрезвычайно высокие магнитные поля, либо чрезвычайно высокие электрические токи для получения разумной тяги. Кроме того, прототипы магнитогидродинамических приводов показывают, что они совсем не бесшумны. Электролиз, вызванный пропусканием тока через соленую воду, создает пузырьки водорода и кислорода, что делает эту двигательную установку довольно шумной.Система также оставляет след из хлорид-ионов и хлоридов металлов, который можно легко обнаружить, чтобы определить местонахождение подводной лодки. Наконец, ионы хлора чрезвычайно реактивны и очень быстро разъедают металлические детали, такие как электрод или сам водяной канал. Таким образом, Красный Октябрь остается в сфере фантастики, но его физика вполне реальна.

Проверка захвата

Представьте себе лодку, приводимую в движение силой заряженных частиц, движущихся в магнитном поле. Если магнитное поле направлено вниз, в каком направлении должен течь ток заряженных частиц, чтобы получить силу, направленную назад?

  1. Течение должно течь вертикально сверху вниз, если смотреть сзади лодки.
  2. Течение должно течь вертикально снизу вверх, если смотреть сзади лодки.
  3. Течение должно течь горизонтально слева направо, если смотреть сзади лодки.
  4. Течение должно течь горизонтально справа налево, если смотреть сзади лодки.

Вместо одиночного заряда, движущегося в магнитном поле, рассмотрим теперь постоянный ток I , движущийся по прямому проводу.Если мы поместим этот провод в однородное магнитное поле, как показано на рисунке 20.19, какова сила, действующая на провод или, точнее, на электроны в проводе? Электрический ток включает в себя движущиеся заряды. Если заряды q перемещаются на расстояние ℓℓ за время t , то их скорость будет v = ℓ / t.v = / t. Подставляя это в уравнение F = qvBsinθF = qvBsinθ, получаем

F = q (ℓt) Bsinθ = (qt) ℓBsinθ.F = q (ℓt) Bsinθ = (qt) ℓBsinθ.

20,5

Коэффициент q / t в этом уравнении – не что иное, как ток в проводе.Таким образом, используя I = q / tI = q / t, получаем

F = IℓBsinθ (1.4). F = IℓBsinθ (1.4).

20,6

Это уравнение дает силу, действующую на прямой токоведущий провод длиной ℓℓ в магнитном поле с напряженностью B . Угол θθ – это угол между вектором тока и вектором магнитного поля. Обратите внимание, что ℓℓ – это длина провода, находящегося в магнитном поле, для которого θ ≠ 0, θ ≠ 0, как показано на рисунке 20.19.

Направление силы определяется так же, как и для одиночного заряда.Согните пальцы правой руки от вектора для I к вектору для B , а большой палец правой руки будет указывать в направлении силы, действующей на провод. Для провода, показанного на рис. 20.19, сила направлена ​​внутрь страницы.

Рисунок 20.19 Прямой провод, по которому течет ток I в магнитном поле B . Сила, приложенная к проволоке, направлена ​​внутрь страницы. Длина ℓℓ – это длина провода, равная в магнитном поле.

В этом разделе вы могли заметить симметрию между магнитными и электрическими эффектами.Все эти эффекты подпадают под понятие электромагнетизма, которое является исследованием электрических и магнитных явлений. Мы видели, что электрические заряды создают электрические поля, а движущиеся электрические заряды создают магнитные поля. Магнитный диполь создает магнитное поле, и, как мы увидим в следующем разделе, движущиеся магнитные диполи создают электрическое поле. Таким образом, электричество и магнетизм – два тесно связанных и симметричных явления.

Рабочий пример

Траектория электрона в магнитном поле

Протон входит в область постоянного магнитного поля, как показано на рисунке 20.20. Магнитное поле выходит из страницы. Если электрон движется со скоростью 3,0 × 106 м / с3,0 × 106 м / с, а напряженность магнитного поля составляет 2,0 Тл, каковы величина и направление силы, действующей на протон?

Рис. 20.20. Протон попадает в область однородного магнитного поля. Магнитное поле исходит из страницы – кружки с точками представляют наконечники векторных стрелок, выходящих из страницы.

Стратегия

Используйте уравнение F = qvBsinθF = qvBsinθ, чтобы найти величину силы, действующей на протон.Угол между векторами магнитного поля и вектором скорости протона составляет 90 ° .90 °. Направление силы можно найти с помощью правила правой руки.

Решение

Заряд протона q = 1.60 · 10−19Cq = 1.60 · 10−19C. Ввод этого значения, заданной скорости и напряженности магнитного поля в уравнение F = qvBsinθF = qvBsinθ дает

F = qvBsinθ = (1,60 × 10−19C) (3,0 × 106 м / с) (2,0T) sin (90 °) = 9,6 × 10−13N. F = qvBsinθ = (1,60 × 10−19C) (3,0 × 106 м / с) (2..

Обсуждение

Это похоже на очень маленькую силу. Однако масса протона составляет 1,67 × 10–27 кг, 1,67 × 10–27 кг, поэтому его ускорение равно a = Fm = 9,6 × 10–13N1,67 × 10–27 кг = 5,7 × 1014 м / с2a = Fm = 9,6. × 10–13N1,67 × 10–27 кг = 5,7 × 1014 м / с2, или примерно в десять тысяч миллиардов раз больше ускорения свободного падения!

Мы обнаружили, что начальное ускорение протона, когда он входит в магнитное поле, направлено вниз в плоскости страницы. Обратите внимание, что по мере ускорения протона его скорость остается перпендикулярной магнитному полю, поэтому величина силы не меняется.Кроме того, из-за правила правой руки направление силы остается перпендикулярным скорости. Эта сила – не что иное, как центростремительная сила: она имеет постоянную величину и всегда перпендикулярна скорости. Таким образом, величина скорости не меняется, и протон совершает круговое движение. Радиус этого круга может быть найден с помощью кинематического соотношения.

F = ma = mv2ra = v2rr = v2a = (3,0 × 106 м / с) 25,7 × 1014 м / с2 = 1,6 см F = ma = mv2ra = v2rr = v2a = (3,0 × 106 м / с) 25.7 × 1014 м / с2 = 1,6 см

20,8

Путь протона в магнитном поле показан на рисунке 20.22.

Рис. 20.22 При перемещении перпендикулярно постоянному магнитному полю заряженная частица будет совершать круговое движение, как показано здесь для протона.

Рабочий пример

Проволока с током в магнитном поле

Теперь предположим, что мы пропустили провод через однородное магнитное поле из предыдущего примера, как показано. Если по проводу проходит ток 1.-направлении, а длина области с магнитным полем 4,0 см, какова сила на проводе?

Стратегия

Используйте уравнение F = IℓBsinθF = IℓBsinθ, чтобы найти величину силы, действующей на провод. Длина провода внутри магнитного поля составляет 4,0 см, а угол между направлением тока и направлением магнитного поля составляет 90 °..-направление. Сила, действующая на провод с током в магнитном поле, является основой всех электродвигателей, как мы увидим в следующих разделах.

Практические задачи

1.

Какова величина силы, действующей на электрон, движущийся со скоростью 1,0 × 106 м / с перпендикулярно магнитному полю 1,0 Тл?

  1. 0,8 × 10 –13 N
  2. 1,6 × 10 –14 N
  3. 0,8 × 10 –14 N
  4. 1,6 × 10 –13 N
2.

Прямой 10-сантиметровый провод на ток 0,40 А ориентирован перпендикулярно магнитному полю. Если сила на проводе 0,022 Н, какова величина магнитного поля?

  1. 1,10 × 10 –2 T
  2. 0,55 × 10 –2 T
  3. 1,10 т
  4. 0,55 т

Проверьте свое понимание

3.

Если два магнита отталкиваются друг от друга, какой можно сделать вывод об их взаимной ориентации?

  1. Либо южный полюс магнита 1 ближе к северному полюсу магнита 2, либо северный полюс магнита 1 ближе к южному полюсу магнита 2.
  2. Либо южные полюса магнита 1 и магнита 2 ближе друг к другу, либо северные полюса магнита 1 и магнита 2 расположены ближе друг к другу.
4.

Опишите методы размагничивания ферромагнетика.

  1. путем охлаждения, нагрева или погружения в воду
  2. путем нагревания, удара и вращения во внешнем магнитном поле
  3. молотком, нагреванием и протиранием тканью
  4. путем охлаждения, погружения в воду или протирания тканью
5.

Что такое магнитное поле?

  1. Направляющие линии внутри и снаружи магнитного материала, указывающие величину и направление магнитной силы.
  2. Направляющие линии внутри и снаружи магнитного материала, указывающие величину магнитной силы.
  3. Направляющие линии внутри магнитного материала, указывающие величину и направление магнитной силы.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.