Источники магнитного поля способы наблюдения магнитного поля опыты кратко

Источники магнитного поля

Что такое магнитное поле

Магнитное поле — физическое поле, которое действует только на движущиеся заряженные частицы (токи) и тела, обладающие магнитным моментом.

В 1831 году Майкл Фарадей установил закон электромагнитной индукции, обнаружив, что меняющееся во времени магнитное поле создает электрическое. Выяснилось, что первично электромагнитное поле, а электрические и магнитные поля — различные его проявления. Электромагнитная волна — это электрическое и магнитное поля, взаимно превращающиеся друг в друга.

Джеймс Кларк Максвелл предположил, что возникновение магнитного поля происходит также и при изменении электрического поля. Математическое выражение для силы, с которой магнитное поле воздействует на проводник, названной силой Ампера, проще всего записать в виде векторной формулы:

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

\(d\overrightarrow F\;=\;Id\overrightarrow l\;\times\;\overrightarrow B\)

\(I\) здесь — сила тока, протекающего через проводник; \(l\) — вектор длины проводника; \(В\) — характеристика поля. Величина В называется магнитной индукцией и является аналогом электрической напряженности.

еременное поле имеет единственный источник — электрический ток. Источник постоянного магнитного поля — постоянные магниты, предметы, обладающие общим магнитным моментом заряженных частиц.

Способы наблюдения магнитного поля

Обнаружение того факта, что некоторые предметы, например, натертый тканью янтарь, способны притягивать другие предметы, произошло еще в античные времена, а возможно, и раньше.

С магнитом связана, например, красивая легенда о волопасе Магнусе, которую упоминает Плиний Старший в своей 37-томной «Естественной истории». Бродя со стадом, Магнус неожиданно обнаружил, что его железный посох и сандалии, подбитые железными гвоздями, с трудом отрываются от земли. Как выяснилось впоследствии, большинство описанных явлений такого плана имели электрическое происхождение.

Долгое время электрические процессы пребывали «в тени» магнитных. Именно природные магниты интересовали естествоиспытателей в первую очередь: их действие стабильно, а электрические свойства натертого янтаря быстро пропадают. Итальянский математик, естествоиспытатель и врач Джероламо Кардано, живший в XIV веке, на опыте убедился, что электрические взаимодействия тел существенно отличаются от магнитных. Так, натертый янтарь может притягивать легкие тела из разных веществ, а магнит — только железо.

Как проявляется магнитное поле, опыты

Ханс Кристиан Эрстед в 1820 году провел эксперимент, который подтвердил взаимосвязь между электричеством и магнетизмом: магнитная стрелка, поднесенная к проводнику с током, отклоняется.

Но еще до Эрстеда, в XVIII веке, разные ученые наблюдали взаимодействие электричества и магнитов, например, Франсуа Жан Доминик Араго описывал разные факты о магнитном действии электрических разрядов.
Андре Мари Ампер предположил, что суть явления магнетизма — в движении заряда, и 24 сентября 1820 года подключил к вольтову столбу две проволочные спирали, которые повели себя, как магниты: одними концами отталкивались, а другими — притягивались. Приблизив к ним два обычных провода с током, ученый обнаружил, что они тоже взаимодействуют: притягиваются, если токи направлены одинаково, и отталкиваются, если токи направлены в противоположные стороны. Таким образом ученый открыл принцип работы электромагнита: железный предмет, находящийся внутри спирали с током, намагничивается и во много раз усиливает магнитное поле.

Приборы первого поколения

Первые индикаторы, измерявшие непосредственно магнитное поле, представляли собой намагниченную стрелку, подвешенную на упругой нити. Величину ее отклонения, прямо пропорциональную напряженности измеренного поля, определяли при помощи оптической системы. Приборы такого типа обеспечивают чувствительность до 4–5 \(\gamma\) .

Единица напряженности магнитного поля — эрстед (Э) — названа по имени датского физика Х.К. Эрстеда. Гамма, \(\gamma\) — стотысячная доля эрстеда.

Приборы второго поколения

Такие приборы называются феррозондовыми. Такое устройство представляет собой два стержня с обмотками, поверх которых надета измерительная катушка. Когда на обмотки подают ток, стержни намагничиваются, и в катушке возникает напряжение. Можно подобрать такую величину тока и его частоту, что поле катушки скомпенсируется геомагнитным полем в опорном пункте, и напряжение не появится. Если геомагнитное поле изменится при перемещении к другому пункту, изменится и намагниченность стержней, соответственно в катушке появится сигнал. Чувствительность феррозондовых магнитометров составляет 2–4 \(\gamma\) .

Приборы третьего поколения

Приборы третьего поколения, производство которых стало возможным в 60-х годах ХХ столетия, используют уже квантовый эффект — зависимость частоты электромагнитного излучения атомов вещества от внешнего магнитного поля.

Протонные магнитометры содержат сосуд с водой или керосином, в молекулах этих жидкостей много атомов водорода, ядра которых состоят из протонов. Сосуд помещен внутрь катушки. Когда на ее обмотки подают ток, жидкость намагничивается: протоны выстраиваются вдоль поля катушки. Затем ток быстро выключают, и протоны начинают вращаться, как волчки, вокруг линий магнитного поля Земли. Крутящиеся протоны представляют собой миниатюрные магниты. При их движении в обмотке возникает переменное напряжение, частота которого определяется величиной геомагнитного поля в данной точке. Абсолютная погрешность протонных магнитометров составляет около 1 \(\gamma\) . В квантовых оптических магнитометрах атомам газа энергию сообщают мощной световой вспышкой. Полученную энергию атомы отдают, излучая электромагнитные волны с частотой, прямо пропорциональной напряженности магнитного поля. Точность этих приборов еще выше — до 0,1 \(\gamma\) .

Кроме отклонения стрелки, есть и другой способ обнаружить магнитные силовые линии — достаточно насыпать на лист железные опилки и положить постоянный магнит рядом с ними, или пропустить сквозь центр листа, перпендикулярно его поверхности, провод под током. Опилки сами распределятся по листу, создав окружности вокруг магнита или провода. Графически магнитные силовые линии выглядят почти так же, как линии напряженности электростатического поля, но если первые всегда замкнуты, то вторые разомкнуты, так как идут от положительно заряженных частиц к отрицательно заряженным.

Существуют ли в природе источники магнитного поля

Самые ранние сведения об использовании природного магнита в качестве компаса содержатся в китайских летописях, составленных примерно в 1100 году до н. э. Так, император Хуанг Ти одержал решающую победу над врагом, напав на него в густом тумане с тыла. Ему помог простейший компас — установленная на повозке деревянная фигурка человека с вытянутой рукой, внутри которой был помещен магнетит. Рука всегда указывала на юг.

Магнетит, он же магнитный железняк — минерал, основная руда железа. В природе сильно намагничен полем Земли.

Геомагнитное, или естественное магнитное, поле Земли изучают магнитотеллурическими методами. Его величина зависит от размеров и глубины залегания намагниченных объектов, например залежей железных руд. Магнитометрами измеряют aбcoлютную величину магнитного поля либо его относительные значения, которые сравнивают с измерениями в опорных пунктах. Напряженность зeмного поля на магнитном полюсе равняется 5 эрстедам (Э), а на экваторе — 0,35 Э.

Электрические поля, которые возникают в атмосфере при разнице электрических напряжений, также связаны с магнитным полем Земли. Они возникают, например, при появлении в атмосфере заряженных частиц во время грозы. Вокруг движущихся зарядов возникают магнитные поля, которые возбуждают вихревое электрическое поле.

Магнитосфера — область околопланетного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем планеты и его взаимодействием с солнечным ветром.

Оболочка, наиболее удаленная от поверхности Земли: ее верхняя граница расположена на расстоянии 70–80 тысяч километров. С дневной стороны она распространяется на 8–14, с ночной — на несколько сотен земных радиусов, образуя так называемый «хвост».

Магнитное поле межзвездной среды, создаваемое солнечным ветром, примерно в 100 тысяч раз слабее магнитного поля нашей планеты и вытянуто вдоль спиральных рукавов. Магнитосфера всех тел в Солнечной системе определяется давлением солнечного ветра, а также собственными характеристиками конкретного небесного тела. Например, Юпитер быстро вращается, поэтому находящийся в его недрах хороший проводник — металлический водород — создает мощное магнитное поле, напряженность которого у поверхности планеты в двадцать раз больше, чем напряженность магнитного поля у поверхности Земли.

Источник

Магнитное поле

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

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

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

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

Свойства магнитного поля:

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

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

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

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

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

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

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

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

Направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика:

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

Для определения магнитной индукции нескольких полей используется принцип суперпозиции:

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

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

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

Свойства магнитных линий:

• магнитные линии непрерывны;
• магнитные линии замкнуты (т.е. в природе не существует магнитных зарядов, аналогичных электрическим зарядам);
• магнитные линии имеют направление, связанное с направлением тока.

Читайте также:  Способы распространения вирусной рекламы

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

На плоский замкнутый контур с током, помещенный в однородное магнитное поле, действует момент сил ​ \( M \) ​:

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

Тогда для модуля вектора магнитной индукции можно записать формулу:

где максимальный момент сил соответствует углу ​ \( \alpha \) ​ = 90°.

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

Взаимодействие магнитов

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

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

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

Разделить полюса магнита нельзя.

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

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

Магнитное поле проводника с током

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Сила Ампера

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

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

где ​ \( \alpha \) ​ – угол между проводником с током и вектором магнитной индукции ​ \( \vec \) ​.

Читайте также:  Параллельная парковка для начинающих простой способ автодром

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

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

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

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

Коэффициент полезного действия электродвигателя:

где ​ \( N \) ​ – механическая мощность, развиваемая двигателем.

Коэффициент полезного действия электродвигателя очень высок.

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

• сделать схематический чертеж, на котором указать проводник или контур с током и направление силовых линий поля;
• отметить углы между направлением поля и отдельными элементами контура;
• используя правило левой руки, определить направление силы Ампера, действующей на проводник с током или на каждый элемент контура, и показать эти силы на чертеже;
• указать все остальные силы, действующие на проводник или контур;
• записать формулы для остальных сил, упоминаемых в задаче. Выразить силы через величины, от которых они зависят. Если проводник находится в равновесии, то необходимо записать условие его равновесия (равенство нулю суммы сил и моментов сил);
• записать второй закон Ньютона в векторном виде и в проекциях;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение проверить.

Сила Лоренца

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

Формула для нахождения силы Лоренца:

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

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

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

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

В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.

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

где ​ \( m \) ​ – масса частицы, ​ \( v \) ​ – скорость частицы, ​ \( B \) ​ – модуль вектора магнитной индукции, ​ \( q \) ​ – заряд частицы.

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

Угловая скорость движения заряженной частицы:

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

Если вектор скорости направлен под углом ​ \( \alpha \) ​ (0° \( \alpha \) \( \vec_2 \) ​, параллелен вектору \( \vec \) , а другой, \( \vec_1 \) , – перпендикулярен ему. Вектор \( \vec_1 \) не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор \( \vec_2 \) меняется по направлению. Сила Лоренца будет сообщать движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости \( \vec_1 \) . Частица будет двигаться по окружности. Период обращения частицы по окружности – ​ \( T \) ​.

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

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

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

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

• сделать чертеж, указать на нем силовые линии магнитного (и электрического) поля, нарисовать вектор начальной скорости частицы и отметить знак ее заряда;
• изобразить силы, действующие на заряженную частицу;
• определить вид траектории частицы;
• разложить силы, действующие на заряженную частицу, вдоль направления магнитного поля и по направлению, ему перпендикулярному;
• составить основное уравнение динамики материальной точки по каждому из направлений разложения сил;
• выразить силы через величины, от которых они зависят;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение проверить.

Источник