- Способы обнаружения магнитного поля
- Магнитное поле и его характеристики
- Суть ориентирующего действия магнитного поля
- Способы обнаружения магнитного поля
- Как действует на заряженные частицы
- Как действует на токи
- Воздействие токов на магниты
- Обнаружение магнитного поля
- Ориентирующее действие магнитного поля
- Действие магнитного поля на заряженные частицы
- Готовые работы на аналогичную тему
- Действие магнитного поля на токи
- Воздействие токов на магниты
- Источники магнитного поля
- Что такое магнитное поле
- Способы наблюдения магнитного поля
- Как проявляется магнитное поле, опыты
- Приборы первого поколения
- Приборы второго поколения
- Приборы третьего поколения
- Существуют ли в природе источники магнитного поля
Способы обнаружения магнитного поля
Магнитное поле и его характеристики
Магнитное поле — физическое поле, которое действует только на движущиеся заряды (токи) и тела, обладающие магнитным моментом. Источники магнитного поля — постоянные магниты или электрический ток.
Магнитный момент — векторная величина, характеризующая магнитные свойства тел и частиц вещества.
Магнитное поле характеризуется магнитной индукцией \(\overrightarrow B\) , измеряющейся в теслах (Тл).
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.
Еще одной характеристикой магнитного поля служит напряженность \(\overrightarrow Н\) , она измеряется в эрстедах и гаммах.
Единица напряженности магнитного поля — эрстед (Э) — названа по имени датского физика Ханса Кристиана Эрстеда.
Гамма, \(\gamma\) — стотысячная доля эрстеда. \(\overrightarrow Н\) — скорее вспомогательная характеристика, так как физически корректные и осмысленные методы измерения предполагают нахождение именно \(\overrightarrow B\) , но \(\overrightarrow Н\) иногда оказывается удобнее для расчетов.
Суть ориентирующего действия магнитного поля
Магнитный диполь — неразделимая совокупность двух магнитных полюсов, северного и южного, находящихся на расстоянии друг от друга.
Существование монополей, магнитов с одним полюсом, невозможно, поскольку магнитные силовые линии всегда являются замкнутыми. Полюсы магнита всегда направлены на север и на юг, если на магнит оказывает действие только геомагнитное поле Земли. Даже если разломать прямой или дугообразный магнит, каждая его из частей сохранит полярность и не станет монополем.
Способы обнаружения 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. Тем не менее органы чувств человека не позволяют ему ощутить магнитное поле, поэтому выявление его наличия возможно только по его воздействию на движущиеся электрические заряды или магниты, которые перемещаются в пространстве.
Как действует на заряженные частицы
На заряженную частицу, которая движется в магнитном поле, воздействует сила Лоренца. В системе СИ она описывается следующим выражением:
Квадратные скобки здесь обозначают векторное произведение.
Как действует на токи
Поскольку на любую движущуюся заряженную частицу в магнитном поле воздействует сила Лоренца, она будет воздействовать и на проводник, по которому идет ток. Сложив силы, влияющие на отдельные движущиеся заряды, можно вычислить силу Ампера — силу, с которой поле воздействует на проводник. Формула для ее вычисления:
\(d\overrightarrow F\;=\;Id\overrightarrow l\;\times\;\overrightarrow B\)
\(I\) здесь — сила тока, протекающего через проводник; \(l\) — вектор длины проводника, направленный в ту же сторону, куда течет ток; \(В\) — магнитная индукция.
Воздействие токов на магниты
Есть простой способ увидеть 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 намагнитятся и сами распределятся по листу, создав окружности вокруг магнита или провода. А с помощью глицерина, обладающего подходящими вязкостью и прозрачностью, можно создать условия для наблюдения магнитных силовых линий в объеме.
Намагниченная стрелка всегда отклоняется при попадании в электромагнитное поле, при этом направление отклонения зависит от направления тока, идущего по проводнику. Величина отклонения стрелки при этом пропорциональна напряженности магнитного поля. Именно на основе этого свойства намагниченных предметов были созданы первые детекторы магнитных полей. Приборы такого типа, где величина отклонения стрелки измеряется оптической системой, обеспечивают чувствительность до 4–5 \(\gamma\) .
Если поместить намагниченный предмет внутрь проволочной спирали, по которой идет ток, намагничивание усилится. Подобное взаимодействие впервые обнаружил Ампер. На основе этого свойства магнитов работают более чувствительные устройства, которые представляют собой два стержня с обмотками, поверх которых надета измерительная катушка. Когда на обмотки подают ток, стержни намагничиваются, и в катушке возникает напряжение. Если подобрать такую величину тока и его частоту, что поле катушки скомпенсируется геомагнитным полем в опорном пункте, напряжение не появится. Но если геомагнитное поле изменится при перемещении к другому пункту, изменится и намагниченность стержней, соответственно в катушке появится сигнал.
Источник
Обнаружение магнитного поля
Вы будете перенаправлены на Автор24
При помощи органов чувств человек не может обнаружить магнитное поле. Наличие магнитного поля можно установить при его воздействии на:
- магнитную стрелку,
- проводник с током,
- движущийся электрический заряд.
Так, магнитное поле способно поворачивать в пространстве магнитные стрелки и рамки с токами, то есть на данные объекты наше поле оказывает ориентирующее воздействие. На проводник с током и перемещающийся заряд в магнитном поле действуют магнитные силы, перпендикулярные направлению перемещения зарядов.
Ориентирующее действие магнитного поля
Поместим малую (пробную) рамку с током в магнитное поле.
Пробная рамка с током отвечает следующим требованиям:
- Она имеет малые размеры, такие, что ее поведение отражало бы характер поля в точке.
- Сила тока в рамке должна быть малой, такой, что влияние этого тока на источники исследуемого магнитного поля было бы несущественным.
Повернем нашу рамку на некоторый угол $\alpha $ относительно ее положения равновесия. Тогда на рамку будет оказывать действие момент сил, зависящий от силы тока в рамке $I$, площади ее поверхности $S$:
где $\alpha $ – угол поворота рамки.
Если рамку развернуть перпендикулярно силовым линиям поля, тогда $\alpha =\frac<\pi ><2>,$, а вращающий момент сил становится наибольшим:
$M_
Отношение $M_max$ к силе тока и площади сечения рамки будет характеристикой магнитного поля в точке расположения рамки:
где $B$ – величина вектора магнитной индукции поля, являющаяся одним из основных параметров, описывающих поле.
Действие магнитного поля на заряженные частицы
Проведем следующий эксперимент. В трубке осциллографа получим прямолинейный пучок электронов, которые движутся по прямой линии. Падая на экран, этот пучок оставит лед в виде небольшого пятна. Приблизим к этому пучку снизу северный полюс линейного магнита. Пучок электронов сместится. Изменим полюс магнита, смещение пучка произойдет в противоположную сторону. Данный эксперимент указывает на то, что перемещающиеся электроны испытывают действие некоторой специфической силы в магнитном поле. Причем опыты показали, что эта сила пропорциональна скорости движения электронов. Подобным образом ведут себя любые другие заряженные частицы, перемещающиеся в магнитном поле.
Готовые работы на аналогичную тему
Сила, действующая на заряженную частицу, перемещающуюся в магнитном поле, называется силой Лоренца, она равна:
$\vec
где характеристиками частицы являются:
- $q$ – величина заряда частицы;
- $\vec v$ — скорость движения частицы.
характеристикой поля является вектор магнитной индукции.
Выражение (4) является справедливым для постоянных и переменных магнитных полей.
На заряд, находящийся в покое, магнитное поле не оказывает действия. Индикатором наличия магнитного поля служит перемещающийся заряд.
Формула (4) показывает принципиальный способ измерения индукции магнитного поля по силе воздействия поля на движущийся заряд.
С этой целью убеждаются в отсутствии электрического поля при помощи неподвижного заряда.
Находят такое направление скорости ($\vec v$), при котором сила Лоренца становится равной нулю. Это будет происходить, если вектор скорости сонаправлен или направлен в противоположную сторону вектору индукции. Так, с точностью до знака определяется направление магнитного поля.
Измеряют силу Лоренца при движении заряда нормально к вектору индукции поля. При этом:
$F_
где $\vec
Формула (6) однозначно определяет вектор магнитной индукции.
Действие магнитного поля на токи
Эксперименты, показывающие действие магнитного поля на движущиеся заряды, обычно проводят не с отдельными частицами, а с их потоками.
Пусть ток создают движущиеся одинаковые частицы с зарядом $q$. Тогда плотность этого тока выразим как:
Сила, которая действует в магнитном поле на элемент объема ($dV), равна:dV), равна:
$d\vec
где $N=ndV$ — число частиц в объеме $dV$.
Если ток течет по очень тонкому проводу, площадь сечения которого равна $S$, длина его $dl$ (малая длина), тогда сила, действующая на него в магнитном поле равна:
$d\vec
где $\vec jdV=I d\vec j$. Направление вектора $ d\vec j$ — совпадает с направлением силы тока.
Выражение (9) называется законом Ампера, а сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера.
Так, обнаружить магнитное поле можно по его воздействию силой Ампера на проводник с током.
Для тока, текущего в прямом проводнике, находящегося в однородном магнитном: поле, силу Ампера можно определить как:
где $l$ — длина прямого проводника.
Модуль силы Ампера из (10) равен:
Вектор силы Ампера перпендикулярен плоскости, в которой лежат $\vec l$ и $\vec B$ и направлен по правилу правого винта.
Магнитное поле, которое создается проводником с током можно обнаружить по его действию на другой проводник с током. Если токи в проводниках направлены в одну сторону, то проводники притягиваются. Будем считать, что наши проводники параллельны, и находятся в вакууме, тогда силы притяжения равны:
где R – расстояние между проводниками, $dF$ — сила с которой один проводник действует на элемент ($dl$) другого проводника.
Если токи в проводниках направлены в противоположные стороны, тогда они отталкиваются.
Воздействие токов на магниты
Магниты оказывают действие на электрические токи. В свою очередь токи воздействуют на магниты.
Рассмотрим эксперимент, который проводил Эрстед. Ученый разместил над магнитной стрелкой прямой провод (рис.1) параллельно плоскости стрелки. Стал пропускать ток по проводнику. При этом стрелка, способная вращаться около вертикальной оси, отклонялась и устанавливалась нормально к проводнику. Эрстед изменял направление течения тока, стрелка поворачивалась на 180 °. Тот же эффект возникал, когда проводник переносили под стрелку. Опыт Эрстеда показал связь между электрическими и магнитными явлениями.
Рисунок 1. Эксперимент Эрстеда. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Источник
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
