Коли з'являється магнітне. Що таке магнітне поле

Магнітні поля виникають у природі та можуть створюватися штучно. Людина помітив їх корисні характеристики, які навчився застосовувати в повсякденному житті. Що ж є джерелом магнітного поля?

Як розвивалося вчення про магнітне поле

Магнітні властивості деяких речовин були помічені ще в давнину, але по-справжньому їхнє вивчення почалося в середньовічної Європи. Використовуючи дрібні сталеві голки, вчений із Франції Перегрін виявив перетин силових магнітних ліній у певних пунктах – полюсах. Тільки через три століття, керуючись цим відкриттям, Гілберт продовжив його вивчення і згодом захищав свою гіпотезу, що Земля має власне магнітне поле.

Бурхливий розвиток теорії магнетизму почався з початку 19-го століття, коли Ампер виявив та описав вплив електричного поля на виникнення магнітного, а відкриття Фарадеєм електромагнітної індукціївстановило і зворотний взаємозв'язок.

Що таке магнітне поле

Магнітне поле проявляється в силовому впливі на електрозаряди, що знаходяться в русі, або на тіла, які мають магнітний момент.

1. Провідники, якими проходить електричний струм;
2. Постійні магніти;
3. Змінюється електричне поле.

Причина виникнення магнітного поля ідентична всім джерел: електричні мікрозаряди – електрони, іони чи протони мають власним магнітним моментом чи перебувають у спрямованому русі.

Важливо!Взаємно породжують одне одного електричні та магнітні поля, що змінюються з часом. Цей взаємозв'язок визначається рівняннями Максвелла.

Характеристики магнітного поля

Характеристиками магнітного поля є:

1. Магнітний потік, скалярна величина, що визначає, скільки силових ліній магнітного поля проходить через заданий переріз. Позначається літерою F. Розраховується за формулою:

F = B x S x cos α,

де В – вектор магнітної індукції, S – переріз, α – кут нахилу вектора до перпендикуляра, проведеного до площини перерізу. Одиниця виміру - вебер (Вб);

1. Вектор магнітної індукції (В) показує силу, що діє на зарядні носії. Він спрямований у бік північного полюса, куди вказує стандартна магнітна стрілка. Кількісно магнітну індукцію вимірюють у теслах (Тл);
2. Напруженість МП (Н). Визначається магнітною проникністю різних середовищ. У вакуумі проникність приймається за одиницю. Напрямок вектора напруженості збігається із напрямком магнітної індукції. Одиниця виміру – А/м.

Як уявити магнітне поле

Легко бачити прояви магнітного поля з прикладу постійного магніту. Він має два полюси, і в залежності від орієнтації два магніти притягуються або відштовхуються. Магнітне поле характеризує процеси, що відбуваються при цьому:

1. МП математично описується як векторне поле. Воно може бути побудовано за допомогою багатьох векторів магнітної індукції, кожен з яких спрямований у бік північного полюса стрілки компаса і має довжину, що залежить від магнітної сили;
2. Альтернативний спосіб подання полягає у використанні силових ліній. Ці лінії ніколи не перетинаються, ніде не починаються і не зупиняються утворюючи замкнуті петлі. Лінії МП поєднуються в області з більш частим розташуванням, де магнітне поле є найсильнішим.

Важливо!Щільність силових ліній свідчить про міцність магнітного поля.

Хоча насправді МП бачити не можна, силові лініїлегко візуалізувати в реальному світі, розташувавши залізну тирсу в МП. Кожна частка поводиться як крихітний магніт з північним і південним полюсом. Результатом є шаблон схожий на силові лінії. Відчути вплив МП людина не здатна.

Вимірювання магнітного поля

Так як це величина векторна, для вимірювання МП існує два параметри: сила та напрямок. Напрямок легко виміряти компасом, з'єднаним з полем. Приклад компас, поміщений в магнітне поле Землі.

Вимірювання інших характеристик значно складніше. Практичні магнітометри з'явилися лише у 19-му столітті. Більшість із них працюють, використовуючи силу, яку електрон відчуває під час руху МП.

Дуже точний вимір малих магнітних полів став практично здійсненний з моменту відкриття в 1988 році гігантського магнітоопору в шаруватих матеріалах. Це відкриття у фундаментальній фізиці було швидко застосовано до магнітної технології. жорсткого дискадля зберігання даних на комп'ютерах, що призвело до тисячоразового збільшення ємності сховища лише за кілька років.

У загальноприйнятих системах вимірювання МП вимірюється в тестах (Тл) або в гаусах (Гс). 1 Тл = 10 000 Гс. Гаус часто використовується, тому що Тесла - занадто велике поле.

Цікаво.Невеликий магніт на холодильнику створює МП, що дорівнює 0,001 Тл, а магнітне поле Землі в середньому - 0,00005 Тл.

Природа виникнення магнітного поля

Магнетизм та магнітні поля є проявами електромагнітної сили. Є два можливих способівЯк організувати енергозаряд у русі і, отже, магнітне поле.

Перший - це приєднати провід до джерела струму, навколо нього утворюється МП.

Важливо!У міру збільшення струму (кількості зарядів у русі) пропорційно збільшується МП. При віддаленні дроту поле знижується залежно від відстані. Це описується законом Ампера.

Деякі матеріали, що мають більш високу магнітопроникність, здатні концентрувати магнітні поля.

Оскільки магнітне поле – це вектор, необхідно визначити його напрямок. Для звичайного струму, що протікає через прямий провід, напрямок можна знайти за правилом правої руки.

Щоб використати правило, треба уявити, що провід обхоплений правою рукою, а великий палецьвказує напрямок струму. Тоді чотири інші пальці покажуть напрямок вектора магнітної індукції навколо провідника.

Другий спосіб створення МП - використання факту, що в деяких речовинах з'являються електрони, що мають власний магнітний момент. Так працюють постійні магніти:

1. Хоча атоми часто мають багато електронів, вони з'єднуються в основному так, що повне магнітне поле пари компенсується. Кажуть, що два електрони, спарені таким чином, мають протилежний спин. Тому щоб щось намагнітити, потрібні атоми, які мають один або кілька електронів з однаковим спином. Наприклад, залізо має чотири таких електрони і підходить для виготовлення магнітів;
2. Мільярди електронів, що знаходяться в атомах, можуть бути випадково орієнтовані, і загального МП не буде незалежно від того, скільки неспарених електронів має матеріал. Він має бути стабільним за невисокої температури, щоб забезпечити загальну кращу орієнтацію електронів. Висока магнітопроникність обумовлює намагнічування таких речовин за певних умов поза впливом МП. Це феромагнетики;
3. Інші матеріали можуть проявляти магнітні властивості за наявності зовнішнього МП. Зовнішнє полеслужить вирівнювання всіх електронних спинів, що зникає після видалення МП. Це речовини – парамагнетики. Метал двері холодильника є прикладом парамагнетика.

Землю можна як конденсаторних обкладок, заряд яких має протилежний знак: «мінус» – біля земної поверхні і «плюс» – в іоносфері. Між ними атмосферне повітряяк ізоляційна прокладка. Гігантський конденсатор зберігає постійний заряд завдяки впливу земного МП. Користуючись цими знаннями, можна створити схему отримання електрики з магнітного поля Землі. Щоправда, у результаті будуть невисокі значення напруги.

Потрібно взяти:

• заземлюючий пристрій;
• дріт;
• трансформатор Тесла, здатний генерувати високочастотні коливання та створювати коронний розряд, іонізуючи повітря.

Котушка Тесла виступатиме в ролі емітера електронів. Вся конструкція з'єднується разом, причому для забезпечення достатньої різниці потенціалів трансформатор має бути піднятий на значну висоту. Таким чином, буде створено електричний ланцюг, яким буде протікати маленький струм. Отримати велика кількістьелектроенергії, користуючись цим пристроєм, неможливо.

Електрика і магнетизм домінують у багатьох світах, що оточують людину: від фундаментальних процесів у природі до ультрасучасних електронних пристроїв.

Відео

Магнітне поле Землі

Магнітне поле — це силове поле, що діє на електричні заряди, що рухаються, і на тіла, що володіють магнітним моментом, незалежно від стану їх руху.

Джерелами макроскопічного магнітного поля є намагнічені тіла, провідники зі струмом і електрично заряджені тіла, що рухаються. Природа цих джерел єдина: магнітне поле виникає внаслідок руху заряджених мікрочастинок (електронів, протонів, іонів), і навіть завдяки наявності у мікрочастинок власного (спинового) магнітного моменту.

Змінне магнітне поле виникає також за зміни в часі електричного поля. У свою чергу при зміні в часі магнітного поля виникає електричне поле. Повний описелектричного та магнітного полів у їх взаємозв'язку дають Максвелла рівняння. Для характеристики магнітного поля часто запроваджують поняття силових ліній поля (ліній магнітної індукції).

Для вимірювання характеристик магнітного поля та магнітних властивостей речовин застосовують різного типумагнітометри. Одиницею індукції магнітного поля в системі одиниць СГС є Гаус (Гс), Міжнародній системіодиниць (СІ) – Тесла (Тл), 1 Тл = 104 Гс. Напруженість вимірюється, відповідно, в ерстедах (Е) та амперах на метр (А/м, 1 А/м = 0,01256 Е; енергія магнітного поля - в Ерг/см 2 або Дж/м 2 , 1 Дж/м 2 = 10 ерг/см 2 .

Компас реагує
на магнітне поле Землі

Магнітні поля в природі надзвичайно різноманітні як за своїми масштабами, так і за ефектами, що викликаються ними. Магнітне поле Землі, що утворює земну магнітосферу, тягнеться до відстані в 70-80 тисяч км у напрямку до Сонця і на багато мільйонів км у протилежному напрямку. У Землі магнітне полі дорівнює у середньому 50 мкТл, межі магнитосферы ~ 10 -3 Гс. Геомагнітне поле екранує поверхню Землі та біосферу від потоку заряджених частинок сонячного вітру та частково космічних променів. Вплив геомагнітного поля на життєдіяльність організмів вивчає магнітобіологія. У навколоземному просторі магнітне поле утворює магнітну пастку для заряджених частинок високих енергій – радіаційний пояс Землі. Частки, що містяться в радіаційному поясі, становлять значну небезпеку при польотах в космос. Походження магнітного поля Землі пов'язують із конвективними рухами провідного рідкої речовиниу земному ядрі.

Безпосередні виміри з допомогою космічних апаратів показали, що найближчі Землі космічні тіла - Місяць, планети Венера і Марс немає власного магнітного поля, подібного земному. З інших планет Сонячної системи лише Юпітер і, мабуть, Сатурн мають власні магнітні поля, достатні для створення планетарних магнітних пасток. На Юпітері виявлено магнітні поля до 10 Гс та ряд характерних явищ ( магнітні бурі, синхротронне радіовипромінювання та інші), що вказують на значну роль магнітного поля в планетарних процесах.

© Фото: http://www.tesis.lebedev.ru
Світлина Сонця
у вузькому спектрі

Міжпланетне магнітне поле - це головним чином поле сонячного вітру (плазми сонячної корони, що безперервно розширюється). Поблизу орбіти Землі міжпланетне поле ~ 10 -4 -10 -5 Гс. Регулярність міжпланетного магнітного поля може порушуватись через розвиток різних видівплазмової нестійкості, проходження ударних хвиль та поширення потоків швидких частинок, народжених сонячними спалахами.

У всіх процесах на Сонці - спалахах, появі плям та протуберанців, народженні сонячних космічних променів магнітне поле грає найважливішу роль. Вимірювання, засновані на ефекті Зеемана, показали, що магнітне поле сонячних плям досягає кількох тисяч Гс, протуберанці утримуються полями ~ 10-100 Гс (при середньому значенні загального магнітного поля Сонця ~ 1 Гс).

Магнітні бурі

Магнітні бурі - сильні збурення магнітного поля Землі, що різко порушують плавний добовий перебіг елементів земного магнетизму. Магнітні бурі тривають від кількох годин до кількох діб і спостерігаються одночасно по всій Землі.

Як правило, магнітні бурі складаються з попередньої, початкової та головної фаз, а також фази відновлення. У попередній фазі спостерігаються незначні зміни геомагнітного поля (переважно у високих широтах), і навіть порушення характерних короткоперіодичних коливань поля. Початкова фаза характеризується раптовою зміною окремих складових поля по всій Землі, а головна - великими коливаннями поля та сильним зменшенням горизонтальної складової. У фазі відновлення магнітної бурі поле повертається до свого нормального значення.

Вплив сонячного вітру
на магнітосферу Землі

Магнітні бурі викликаються потоками сонячної плазми з активних областей Сонця, що накладаються на спокійний вітер. Тому магнітні бурі найчастіше спостерігаються поблизу максимумів 11-річного циклу сонячної активності. Досягаючи Землі, потоки сонячної плазми збільшують стиск магнітосфери, викликаючи початкову фазу магнітної бурі і частково проникають всередину магнітосфери Землі. Попадання частинок високих енергій у верхню атмосферу Землі та їх вплив на магнітосферу призводять до генерації та посилення в ній електричних струмів, що досягають найбільшої інтенсивності полярних областяхіоносфери, із чим пов'язана наявність високоширотної зони магнітної активності. Зміни магнітосферно-іоносферних струмових систем проявляються на поверхні Землі у вигляді іррегулярних магнітних збурень.

У явищах мікросвіту роль магнітного поля так само істотна, як і в космічних масштабах. Це пояснюється існуванням у всіх частинок - структурних елементів речовини (електронів, протонів, нейтронів), магнітного моменту, а також дією магнітного поля на електричні заряди, що рухаються.

Застосування магнітних полів у науці та техніці. Магнітні поля зазвичай поділяють на слабкі (до 500 Гс), середні (500 Гс – 40 кГс), сильні (40 кГс – 1 МГс) та надсильні (понад 1 МГс). На використанні слабких та середніх магнітних полів заснована практично вся електротехніка, радіотехніка та електроніка. Слабкі та середні магнітні поля отримують за допомогою постійних магнітів, електромагнітів, неохолоджуваних соленоїдів, надпровідних магнітів.

Джерела магнітного поля

Усі джерела магнітних полів можна поділити на штучні та природні. Основними природними джерелами магнітного поля є власне магнітне поле планети Земля та сонячний вітер. До штучним джереламможна віднести все електромагнітні поля, якими так рясніє наш сучасний світ, та наші будинки зокрема. Докладніше про, і читайте на нашому.

Транспорт на електропривод є потужним джерелом магнітного поля в діапазоні від 0 до 1000 Гц. Залізничний транспорт використовує змінний струм. Міський транспорт – постійний. Максимальні значення індукції магнітного поля у приміському електротранспорті досягають 75 мкТл, середні значення – близько 20 мкТл. Середні значення на транспорті з приводом постійного струмузафіксовано на рівні 29 мкТл. У трамваїв, де зворотний провід - рейки, магнітні поля компенсують один одного на набагато більшій відстані, ніж у дротів тролейбуса, а всередині тролейбуса коливання магнітного поля невеликі навіть при розгоні. Але найбільші коливання магнітного поля – у метро. При відправленні складу величина магнітного поля платформі становить 50-100 мкТл і більше, перевищуючи геомагнітне поле. Навіть коли поїзд давно зник у тунелі, магнітне поле не повертається до колишнього значення. Лише після того, як склад пройде наступну точку підключення до контактної рейки, магнітне поле повернеться до старого значення. Щоправда, іноді не встигає: до платформи вже наближається наступний потяг і за його гальмування магнітне поле знову змінюється. У самому вагоні магнітне поле ще сильніше - 150-200 мкТл, тобто вдесятеро більше, ніж у звичайній електричці.

Значення індукції магнітних полів, що найчастіше зустрічаються нами в повсякденному житті, наведені на діаграмі нижче. Дивлячись на цю діаграму стає зрозуміло, що ми підпадаємо під вплив магнітних полів постійно і повсюдно. На думку вчених, шкідливими вважаються магнітні поля з індукцією понад 0,2 мкТл. Природно, що слід вживати певних запобіжних заходів, щоб убезпечити себе від згубного впливу навколишніх полів. Просто виконуючи кілька нескладних правил Ви можете значно знизити вплив магнітних полів на свій організм.

У діючих СанПіН 2.1.2.2801-10 «Зміни та доповнення №1 до СанПіН 2.1.2.2645-10 «Санітарно-епідеміологічні вимоги до умов проживання в житлових будинках та приміщеннях» сказано таке: допустимий рівеньослаблення геомагнітного поля у приміщеннях житлових будівельвстановлюється рівним 1,5". Також встановлені гранично допустимі значенняінтенсивності та напруженості магнітного поля частотою 50 Гц:

• у житлових приміщеннях - 5 мкТлабо 4 А/м;
• в нежитлових приміщенняхжитлових будівель, на селітебної території, у тому числі на території садових ділянок —10 мкТлабо 8 А/м.

З зазначених нормативів кожен може розрахувати скільки електричних приладівможе перебувати у включеному стані та у стані очікування у кожному конкретному приміщенні або ж, на підставі якого будуть видані рекомендації щодо нормалізації житлового простору.

Відеоматеріали на тему

Невеликий науковий фільм про магнітне поле Землі

Використана література

1. Велика Радянська Енциклопедія.

Для розуміння того, що є характеристикою магнітного поля, слід дати визначення багатьом явищам. При цьому наперед треба згадати, як і чому воно з'являється. Дізнатися, що силове поле. При цьому важливим є те, що подібне поле може зустрічатися не тільки у магнітів. У зв'язку з цим не завадить згадати характеристику магнітного поля землі.

Виникнення поля

Спочатку слід описати виникнення поля. Після цього можна описати магнітне поле та його характеристики. Воно з'являється під час переміщення заряджених частинок. Може впливати на особливо на струмопровідні провідники. Взаємодія між магнітним полем і зарядами, що рухаються, або провідниками, якими тече струм, відбувається завдяки силам, іменованим електромагнітними.

Інтенсивність або силова характеристикамагнітного поля у певній просторовій точці визначаються за допомогою магнітної індукції. Остання позначається символом.

Графічне уявлення поля

Магнітне поле та його характеристики можуть бути представлені у графічній формі за допомогою ліній індукції. Даним визначенням називають лінії, дотичні до яких у будь-якій точці збігатимуться з напрямком вектора магнітної індукції.

Названі лінії входять у характеристику магнітного поля та застосовуються для визначення його напрямку та інтенсивності. Чим вище інтенсивність магнітного поля, тим більше цих ліній буде проведено.

Що таке магнітні лінії

Магнітні лінії у прямолінійних провідників зі струмом мають форму концентричного кола, центр якого розташовується на осі даного провідника. Напрямок магнітних ліній біля провідників зі струмом визначається за правилом буравчика, яке звучить так: якщо буравчик буде розташований так, що він буде загвинчуватися в провідник у напрямку струму, тоді напрям звернення рукоятки відповідає напрямку магнітних ліній.

У котушки зі струмом напрямок магнітного поля визначатиметься також за правилом буравчика. Також потрібно обертати рукоятку у напрямку струму у витках соленоїда. Напрямок ліній магнітної індукції буде відповідати напрямку поступального руху свердла.

Є основною характеристикою магнітного поля.

Створюване одним струмом, за рівних умов, поле буде відрізнятися за своєю інтенсивністю в різних середовищахчерез різні магнітні властивості в цих речовинах. Магнітні властивості середовища характеризуються абсолютною магнітною проникністю. Вимірюється у генрі на метр (г/м).

У характеристику магнітного поля входить абсолютна магнітна проникність вакууму, яка називається магнітною постійною. Значення, що визначає, у скільки разів абсолютна магнітна проникність середовища відрізнятиметься від постійної, називається відносною магнітною проникністю.

Магнітна проникність речовин

Це безрозмірна величина. Речовини, що мають значення проникності менше одиниці, називаються діамагнітними. У цих речовинах поле буде слабшим, ніж у вакуумі. Дані властивості присутні у водню, води, кварцу, срібла та ін.

Середовища з магнітною проникністю, що перевищує одиницю, називаються парамагнітними. У цих речовинах поле буде сильнішим, ніж у вакуумі. До цих середовищ і речовин відносять повітря, алюміній, кисень, платину.

У випадку з парамагнітними та діамагнітними речовинами значення магнітної проникності не буде залежати від напруги зовнішнього поля, що намагнічує. Це означає, що величина є постійною певної речовини.

До особливої ​​групи належать феромагнетики. У цих речовин магнітна проникність досягатиме кількох тисяч і більше. У названих речовин, що мають властивість намагнічуватися та посилювати магнітне поле, існує широке використання в електротехніці.

Напруженість поля

Для визначення показників магнітного поля разом з вектором магнітної індукції може застосовуватися значення, що називається напруженістю магнітного поля. Цей термінє визначальною інтенсивність зовнішнього магнітного поля. Напрямок магнітного поля в середовищі з однаковими властивостями по всіх напрямках вектор напруженості збігатиметься з вектором магнітної індукції в точці поля.

Сильні магнітні властивості у феромагнітів пояснюються присутністю в них довільно намагнічених малих частин, які можуть бути представлені у вигляді малих магнітів.

З відсутнім магнітним полем феромагнітна речовина може не мати виражених магнітних властивостей, оскільки поля доменів набувають різної орієнтації, та їх загальне магнітне поле дорівнює нулю.

За основною характеристикою магнітного поля, якщо феромагніт буде поміщений у зовнішнє магнітне поле, наприклад, в котушку зі струмом, то під впливом зовнішнього поля домени розгорнуться у напрямку зовнішнього поля. Притому магнітне поле у ​​котушки посилиться, і магнітна індукція збільшиться. Якщо ж зовнішнє поле досить слабке, то перевернеться лише частина всіх доменів, магнітні поля яких у напрямку наближаються до напрямку зовнішнього поля. Протягом збільшення сили зовнішнього поля число повернутих доменів зростатиме, і за певного значення напруги зовнішнього поля майже всі частини будуть розгорнуті так, що магнітні поля розташуються у напрямку зовнішнього поля. Цей стан називається магнітним насиченням.

Зв'язок магнітної індукції та напруженості

Взаємопов'язаність магнітної індукції феромагнітної речовини та напруженості зовнішнього поля може зображуватись за допомогою графіка, званого кривою намагнічування. У місці вигину графіка крива швидкість зростання магнітної індукції зменшується. Після вигину, де напруженість досягає певного показника, відбувається насичення, і крива трохи піднімається, поступово набуваючи форми прямої. На цій ділянці індукція все ще зростає, проте досить повільно і лише за рахунок зростання напруженості зовнішнього поля.

Графічна залежність даних показника перестав бути прямий, отже, їх ставлення який завжди, і магнітна проникність матеріалу не незмінний показник, а залежить від зовнішнього поля.

Зміни магнітних властивостей матеріалів

При збільшенні сили струму до повного насичення в котушці з феромагнітним сердечником і подальшим її зменшенням крива намагнічування не співпадатиме з кривою розмагнічування. З нульовою напруженістю магнітна індукція не матиме таке ж значення, а набуде деякого показника, що називається залишковою магнітною індукцією. Ситуація з відставанням магнітної індукції від сили, що намагнічує, іменується гістерезисом.

Для повного розмагнічування феромагнітного осердя в котушці потрібно дати струм зворотної спрямованості, який створить необхідну напруженість. Для різних феромагнітних речовин потрібний відрізок різної довжини. Чим він більший, тим більший обсяг енергії необхідний для розмагнічування. Значення, у якому відбувається повне розмагнічування матеріалу, називається коэрцитивной силою.

При подальшому збільшенні струму в котушці індукція знову збільшиться до показника насичення, але з іншим напрямом магнітних ліній. При розмагнічуванні у зворотному напрямку буде отримано залишкову індукцію. Явище залишкового магнетизму застосовується під час створення постійних магнітів із речовин із великим показником залишкового магнетизму. З речовин, що мають здатність до перемагнічування, створюються осердя для електричних машин та приладів.

Правило лівої руки

Сила, що впливає на провідник зі струмом, має напрямок, що визначається за правилом лівої руки: при розташуванні долоні дівої руки таким чином, що магнітні лінії входять до неї, і чотири пальці витягнуті у напрямку струму в провіднику, відігнутий великий палець вкаже напрям сили. Ця сила перпендикулярна вектору індукції та струму.

Провідник із струмом, що переміщається в магнітному полі, вважається прообразом електродвигуна, який змінює електричну енергіюу механічну.

Правило правої руки

Під час руху провідника в магнітному полі всередині нього індукується електрорушійна сила, яка має значення, пропорційне магнітній індукції, задіяній довжині провідника та швидкості його переміщення. Ця залежність називається електромагнітною індукцією. При визначенні напрямку індукованої ЕРС у провіднику використовують правило правої руки: при розташуванні правої руки так само, як у прикладі з лівої, магнітні лінії входять у долоню, а великий палець вказує напрямок переміщення провідника, витягнуті пальці вкажуть напрямок індукованої ЕРС. Провідник, що переміщається в магнітному потоці під впливом зовнішньої механічної сили, є найпростішим прикладом електричного генератора, в якому перетворюється механічна енергіяв електричну.

Може бути сформульований по-іншому: у замкнутому контурі відбувається індукування ЕРС, при будь-якій зміні магнітного потоку, що охоплюється даним контуром, ЕДЕ в контурі чисельно дорівнює швидкості зміни магнітного потоку, що охоплює цей контур.

Дана форма надає усереднений показник ЕРС та вказує на залежність ЕРС не від магнітного потоку, а від швидкості його зміни.

Закон Ленця

Також слід згадати закон Ленца: струм, що індукується при зміні магнітного поля, що проходить через контур, своїм магнітним полем перешкоджає цій зміні. Якщо витки у котушки пронизуються різними за величиною магнітними потоками, то індукована по цілій котушці ЕРС дорівнює сумі ЕДЕ у різних витках. Сума магнітних потоків різних витків котушки називається потокозчепленням. Одиниця виміру цієї величини, як і магнітного потоку, - вебер.

При зміні електричного струму в контурі відбувається зміна та створеного ним магнітного потоку. При цьому, згідно із законом електромагнітної індукції, усередині провідника відбувається індукування ЕРС. Вона у зв'язку зі зміною струму в провіднику, тому це явище називають самоіндукцією, і індукована в провіднику ЕРС називається ЕРС самоіндукції.

Потокосчеплення та магнітний потікзалежить від однієї лише сили струму, а й від величини і форми даного провідника, і магнітної проникності навколишнього речовини.

Індуктивність провідника

Коефіцієнт пропорційності називається індуктивністю провідника. Він означає здатність провідника створювати потокозчеплення при проходженні крізь нього електрики. Це є одним із основних параметрів електричних ланцюгів. Для певних ланцюгів індуктивність є незмінним показником. Вона залежатиме від величини контуру, його конфігурації та магнітної проникності середовища. При цьому сила струму в контурі та магнітний потік не матимуть значення.

Вищеописані визначення та явища дають пояснення тому, що є магнітним полем. Також наводяться основні характеристики магнітного поля, з яких можна дати визначення даного явища.

Магнітне поле та його характеристики. При проходженні електричного струму провідником навколо нього утворюється магнітне поле. Магнітне поле є одним із видів матерії. Воно володіє енергією, яка проявляє себе у вигляді електромагнітних сил, що діють на окремі електричні заряди, що рухаються (електрони та іони) і на їх потоки, тобто електричний струм. Під впливом електромагнітних сил заряджені частинки, що рухаються, відхиляються від свого первісного шляху в напрямку, перпендикулярному полю (рис. 34). Магнітне поле утворюєтьсятільки навколо електричних зарядів, що рухаються, і його дія поширюється теж лише на заряди, що рухаються. Магнітне та електричні полянерозривні і утворюють спільно єдине електромагнітне поле. Будь-яка зміна електричного поляпризводить до появи магнітного поля і навпаки, будь-яка зміна магнітного поля супроводжується виникненням електричного поля. Електромагнітне полепоширюється зі швидкістю світла, тобто 300 000 км/с.

Графічний зображення магнітного поля.Графічно магнітне поле зображують магнітними силовими лініями, які проводять так, щоб напрямок силової лінії в кожній точці поля збігався з напрямком сил поля; магнітні силові лінії завжди є безперервними та замкнутими. Напрямок магнітного поля в кожній точці можна визначити за допомогою магнітної стрілки. Північний полюс стрілки завжди встановлюється у бік дії сил поля. Кінець постійного магніту, з якого виходять силові лінії (рис. 35 а), прийнято вважати північним полюсом, а протилежний кінець, в який входять силові лінії, - південним полюсом (силові лінії, що проходять всередині магніту, не показані). Розподіл силових ліній між полюсами плоского магніту можна виявити за допомогою сталевої тирси, насипаної на аркуш паперу, покладений на полюси (рис. 35, б). Для магнітного поля в повітряному зазорі між двома паралельно розташованими різноіменними полюсами постійного магніту характерно рівномірний розподілсилових магнітних ліній (рис. 36) (силові лінії, що проходять усередині магніту, не показано).

Мал. 37. Магнітний потік, що пронизує котушку при перпендикулярному (а) і похилому (б) її положеннях щодо напрямку магнітних силових ліній.

Для більш наочного зображення магнітного поля силові лінії мають рідше або густіше. У тих місцях, де магнітне роль сильніше, силові лінії розташовують ближче один до одного, там же, де воно слабше, - далі один від одного. Силові лінії ніде не перетинаються.

У багатьох випадках зручно розглядати магнітні силові лінії як деякі пружні розтягнуті нитки, які прагнуть скоротитися, а також взаємно відштовхуються одна від одної (мають взаємний бічний розпір). Таке механічне уявлення про силові лінії дозволяє наочно пояснити виникнення електромагнітних сил при взаємодії магнітного поля та Провідника зі струмом, а також двох магнітних полів.

Основними характеристиками магнітного поля є магнітна індукція, магнітний потік, магнітна проникність та напруженість магнітного поля.

Магнітна індукція та магнітний потік.Інтенсивність магнітного поля, т. е. здатність його виконувати роботу, визначається величиною, званої магнітної індукцією. Чим сильніше магнітне поле, створене постійним магнітом або електромагнітом, тим більшу індукцію воно має. Магнітну індукцію можна характеризувати щільністю силових магнітних ліній, тобто числом силових ліній, що проходять через площу 1 м 2 або 1 см 2 , розташовану перпендикулярно магнітному полю. Розрізняють однорідні та неоднорідні магнітні поля. У однорідному магнітному полі магнітна індукція у кожній точці поля має однакове значення та напрямок. Однорідним може вважатися поле в повітряному зазорі між різними полюсами магніту або електромагніту (див.рис.36) при деякому віддаленні від його країв. Магнітний потік Ф, що проходить через будь-яку поверхню, визначається загальним числоммагнітних силових ліній, що пронизують цю поверхню, наприклад котушку 1 (рис. 37, а), отже, в однорідному магнітному полі

Ф = BS (40)

де S - площа поперечного перерізуповерхні, якою проходять магнітні силові лінії. Звідси випливає, що в такому полі магнітна індукція дорівнює потоку, поділеному на площу поперечного перерізу S:

B = Ф/S (41)

Якщо яка-небудь поверхня розташована похило по відношенню до напрямку магнітних силових ліній (рис. 37, б), то потік, що пронизує її, буде менше, ніж при перпендикулярному її положенні, тобто Ф 2 буде менше Ф 1 .

У системі одиниць СІ магнітний потік вимірюється у веберах (Вб), ця одиниця має розмірність В*с (вольт-секунда). Магнітна індукція у системі одиниць СІ вимірюється в теслах (Тл); 1 Тл = 1 Вб/м2.

Магнітна проникність.Магнітна індукція залежить не тільки від сили струму, що проходить прямолінійним провідником або котушкою, але і від властивостей середовища, в якому створюється магнітне поле. Величиною, що характеризує магнітні властивості середовища, є абсолютна магнітна проникність? а. Одиницею її виміру є генрі на метр (1 Гн/м = 1 Ом*с/м).
У середовищі з більшою магнітною проникністю електричний струм певної сили створює магнітне поле з більшою індукцією. Встановлено, що магнітна проникність повітря та всіх речовин, за винятком феромагнітних матеріалів (див. § 18), має приблизно те саме значення, що й магнітна проникність вакууму. Абсолютну магнітну проникність вакууму називають магнітною постійною, ? про = 4? * 10 -7 Гн/м. Магнітна проникність феромагнітних матеріалів у тисячі і навіть десятки тисяч разів більша за магнітну проникність неферомагнітних речовин. Відношення магнітної проникності? а якоїсь речовини до магнітної проникності вакууму? про називають відносною магнітною проникністю:

? =? а/? о (42)

Напруженість магнітного поля. І не залежить від магнітних властивостей середовища, але враховує вплив сили струму і форми провідників на інтенсивність магнітного поля в даній точці простору. Магнітна індукція та напруженість пов'язані ставленням

H = B/? а = B/(?? о) (43)

Отже, у середовищі з постійною магнітною проникністю індукція магнітного поля пропорційна його напруженості.
Напруга магнітного поля вимірюється в амперах на метр (А/м) або амперах на сантиметр (А/см).

Магнітне поле– особлива форма матерії, що існує навколо електричних зарядів, що рухаються – струмів.

Джерелами магнітного поля є постійні магніти, провідники зі струмом. Виявити магнітне поле можна по дії на магнітну стрілку, провідник зі струмом і заряджені частинки, що рухаються.

Для дослідження магнітного поля використовують замкнутий плоский контур зі струмом (рамку зі струмом).

Вперше поворот магнітної стрілки біля провідника, яким протікає струм, виявив 1820 року Ерстед. Ампер спостерігав взаємодію провідників, якими протікав струм: якщо струми у провідниках течуть щодо одного напрямі, то провідники притягуються, якщо струми у провідниках течуть у протилежних напрямах, всі вони відштовхуються.

Властивості магнітного поля:

• магнітне поле матеріально;
• джерело та індикатор поля – електричний струм;
• магнітне поле є вихровим – його силові лінії (лінії магнітної індукції) замкнуті;
• величина поля зменшується з відстанню від джерела поля.

Важливо!
Магнітне поле не є потенційним. Його робота на замкнутій траєкторії може бути не дорівнює нулю.

Магнітною взаємодієюназивають тяжіння або відштовхування електрично нейтральних провідників при пропущенні через них електричного струму.

Магнітна взаємодія рухомих електричних зарядів пояснюється так: всякий електричний заряд, що рухається, створює в просторі магнітне поле, яке діє на рухомі заряджені частинки.

Силова характеристика магнітного поля вектор магнітної індукції?(\vec(B) \) . Модуль вектора магнітної індукції дорівнює відношенню максимального значеннясили, що діє з боку магнітного поля на провідник зі струмом, до сили струму у провіднику '(I \) та його довжині '(l \) :

Позначення – \(\vec(B) \), одиниця виміру в СІ – тесла (Тл).

1 Тл – це індукція такого магнітного поля, у якому кожний метр довжини провідника при силі струму 1 А діє максимальна сила 1 М.

Напрямок вектора магнітної індукціїзбігається з напрямком від південного полюсадо північного полюса магнітної стрілки (напрямок, який вказує північний полюс магнітної стрілки), що вільно встановилася в магнітному полі.

Напрямок вектора магнітної індукції можна визначити за правилу буравчика:

якщо напрямок поступального руху буравчика збігається з напрямком струму у провіднику, то напрямок обертання ручки буравчика збігається з напрямком вектора магнітної індукції.

Для визначення магнітної індукції кількох полів використовується принцип суперпозиції:

магнітна індукція результуючого поля, створеного декількома джерелами, дорівнює векторній сумі магнітних індукцій полів, створюваних кожним джерелом окремо:

Поле, у кожній точці якого вектор магнітної індукції однаковий за величиною та напрямком, називається однорідним.

Наочно магнітне поле зображують як магнітних ліній чи ліній магнітної індукції. Лінія магнітної індукції- це уявна лінія, у будь-якій точці якої вектор магнітної індукції спрямований по дотичній до неї.

Властивості магнітних ліній:

• магнітні лінії безперервні;
• магнітні лінії замкнуті (тобто у природі немає магнітних зарядів, аналогічних електричним зарядам);
• магнітні лінії мають напрямок, пов'язаний з напрямком струму.

Густота розташування дозволяє судити про величину поля: що густіше розташовані лінії, то сильніше поле.

На плоский замкнутий контур зі струмом, поміщений в однорідне магнітне поле, діє момент сил (M):

де '(I \) - сила струму в провіднику, \(S \) - площа поверхні, що охоплюється контуром, \(B \) - модуль вектора магнітної індукції, \(\alpha \) - кут між перпендикуляром до площини контуру та вектором магнітної індукції.

Тоді для модуля вектора магнітної індукції можна записати формулу:

де максимальний момент сил відповідає куту (\alpha \) = 90 °.

В цьому випадку лінії магнітної індукції лежать у площині рамки, та її положення рівноваги є нестійким. Стійким буде положення рамки зі струмом у разі, коли площина рамки перпендикулярна до ліній магнітної індукції.

Постійні магніти- Це тіла, довгий часщо зберігають намагніченість, тобто створюють магнітне поле.

Основна властивість магнітів: притягувати тіла із заліза або його сплавів (наприклад, сталі). Магніти бувають природні (з магнітного залізняку) і штучні, що являють собою намагнічені залізні смуги. Області магніту, де його магнітні властивості найбільш виражені, називають полюсами. У магніту два полюси: північний (N) і південний (S).

Важливо!
Поза магнітом магнітні лінії виходять із північного полюса і входять у південний полюс.

Розділити полюси магніту не можна.

Пояснив існування магнітного поля у постійних магнітів Ампер. Згідно з його гіпотезою всередині молекул, з яких складається магніт, циркулюють елементарні електричні струми. Якщо ці струми орієнтовані певним чином, їх дії складаються і тіло проявляє магнітні властивості. Якщо ці струми розташовані безладно, їх дію взаємно компенсується і тіло не виявляє магнітних властивостей.

Магніти взаємодіють: однойменні магнітні полюси відштовхуються, різноманітні – притягуються.

Магнітне поле провідника зі струмом

Електричний струм, що протікає по провіднику зі струмом, створює в навколишньому просторі магнітне поле. Чим більше струм, що проходить по провіднику, тим сильніше магнітне поле, що виникає навколо нього.

Магнітні силові лінії цього поля розташовуються по концентричних кіл, в центрі яких знаходиться провідник зі струмом.

Напрямок ліній магнітного поля навколо провідника зі струмом завжди знаходиться у суворій відповідності до напрямку струму, що проходить по провіднику.

Напрямок магнітних силових ліній можна визначити за правилом буравчика: якщо поступальний рух свердла (1) збігається з напрямком струму (2) у провіднику, то обертання його рукоятки вкаже напрямок силових ліній (4) магнітного поля навколо провідника.

При зміні напрямку струму лінії магнітного поля також змінюють свій напрямок.

У міру віддалення від провідника магнітні силові лінії розташовуються рідше. Отже, індукція магнітного поля зменшується.

Напрямок струму у провіднику прийнято зображати точкою, якщо струм йде до нас, і хрестиком, якщо струм спрямований від нас.

Для отримання сильних магнітних полів при невеликих струмах зазвичай збільшують число провідників зі струмом та виконують їх у вигляді ряду витків; такий пристрій називають котушкою.

У провіднику, зігнутому у вигляді витка, магнітні поля, утворені всіма ділянками цього провідника, будуть усередині витка мати однаковий напрямок. Тому інтенсивність магнітного поля всередині витка буде більшою, ніж навколо прямолінійного провідника. При поєднанні витків у котушку магнітні поля, створені окремими витками, складаються. При цьому концентрація силових ліній усередині котушки зростає, тобто магнітне поле усередині неї посилюється.

Чим більше струм, що проходить через котушку, і чим більше в ній витків, тим сильніше магнітне поле, що створюється котушкою. Магнітне поле зовні котушки також складається з магнітних полів окремих витків, однак магнітні силові лінії розташовуються не так густо, внаслідок чого інтенсивність магнітного поля там не така велика, як усередині котушки.

Магнітне поле котушки зі струмом має таку форму, як і полі прямолінійного постійного магніту: силові магнітні лінії виходять з одного кінця котушки і входять в інший її кінець. Тому котушка зі струмом є штучним електричним магнітом. Зазвичай посилення магнітного поля всередину котушки вставляють сталевий сердечник; таку котушку називають електромагнітом.

Напрямок ліній магнітної індукції котушки зі струмом знаходять по правилу правої руки:

якщо подумки обхопити котушку зі струмом долонею правої руки так, щоб чотири пальці вказували напрямок струму в її витках, тоді великий палець вкаже напрямок вектора магнітної індукції.

Для визначення напрямку ліній магнітного поля, створюваного витком або котушкою, можна використовувати також правило буравчика:

якщо обертати ручку буравчика у напрямку струму у витку чи котушці, поступальний рух буравчика вкаже напрям вектора магнітної індукції.

Електромагніти знайшли надзвичайно широке застосуванняу техніці. Полярність електромагніту (напрямок магнітного поля) можна визначити за допомогою правила правої руки.

Сила Ампера

Сила Ампера– сила, що діє на провідник зі струмом, що знаходиться у магнітному полі.

Закон Ампера:на провідник c струмом силою (I ) довжиною (l ) , поміщений у магнітне поле з індукцією (\vec(B) ) , діє сила, модуль якої дорівнює:

де (\alpha \) - кут між провідником зі струмом і вектором магнітної індукції (\vec(B) \).

Напрямок сили Ампера визначають за правилом лівої руки: якщо долоню лівої руки розташувати так, щоб перпендикулярна до провідника складова вектора магнітної індукції входила в долоню, а чотири витягнуті пальці вказували напрям струму в провіднику, то відігнутий на 90° великий палець покаже напрям сили .

Сила Ампера не є центральною. Вона спрямована перпендикулярно до ліній магнітної індукції.

Сила Ампера широко використовується. У технічні пристроїстворюють магнітне поле за допомогою провідників, якими тече електричний струм. Електромагніти використовують в електромеханічному релі для дистанційного вимкнення електричних ланцюгів, магнітному підйомному крані, жорсткий диск комп'ютера, що записує головку відеомагнітофона, в кінескопі телевізора, монітор комп'ютера. У побуті, на транспорті та в промисловості широко застосовують електричні двигуни. Взаємодія електромагніту з полем постійного магніту дозволило створити електровимірювальні прилади (амперметр, вольтметр).

Найпростішою моделлю електродвигуна служить рамка зі струмом, вміщена в магнітне поле постійного магніту. У реальних електродвигунах замість постійних магнітів використовують електромагніти, замість рамки – обмотки з великою кількістю витків дроту.

Коефіцієнт корисної діїелектродвигуна:

де (N \) - механічна потужність, що розвивається двигуном.

Коефіцієнт корисної дії електродвигуна дуже високий.

Алгоритм розв'язання задач про дію магнітного поля на провідники зі струмом:

• зробити схематичне креслення, на якому вказати провідник або контур зі струмом та напрямок силових ліній поля;
• відзначити кути між напрямком поля та окремими елементамиконтуру;
• використовуючи правило лівої руки, визначити напрямок сили Ампера, що діє на провідник зі струмом або на кожен елемент контуру, і показати ці сили на кресленні;
• вказати всі інші сили, що діють на провідник чи контур;
• записати формули для інших сил, що згадуються в задачі. Виразити сили через величини, яких вони залежать. Якщо провідник перебуває в рівновазі, необхідно записати умову його рівноваги (рівність нулю суми сил і моментів сил);
• записати другий закон Ньютона у векторному вигляді та у проекціях;
• рішення перевірити.

Сила Лоренца

Сила Лоренца– сила, що діє на заряджену частинку, що рухається, з боку магнітного поля.

Формула для знаходження сили Лоренца:

де (q \) - заряд частинки, \ (v \) - швидкість частинки, \ (B \) - модуль вектора магнітної індукції, \ (\ alpha \) і вектор магнітної індукції.

Напрямок сили Лоренца визначають за правилом лівої руки: якщо долоню лівої руки розташувати так, щоб перпендикулярна до провідника складова вектора магнітної індукції входила в долоню, а чотири витягнуті пальці вказували напрям швидкості позитивно зарядженої частинки, то відігнутий на 90° великий палець покаже Лоренця.

Якщо заряд частки негативний, то напрям сили змінюється протилежне.

Важливо!
Якщо вектор швидкості направлений із вектором магнітної індукції, то частка рухається рівномірно і прямолінійно.

У однорідному магнітному полі сила Лоренца викривляє траєкторію руху частки.

Якщо вектор швидкості перпендикулярний вектору магнітної індукції, то частка рухається по колу, радіус якого дорівнює:

де (m) - маса частинки, (v \) - швидкість частинки, (B \) - модуль вектора магнітної індукції, ((q)) - заряд частинки.

У цьому випадку сила Лоренца грає роль доцентрової і її робота дорівнює нулю. Період (частота) обігу частки не залежить від радіуса кола та швидкості частки. Формула для обчислення періоду обігу частки:

Кутова швидкість руху зарядженої частки:

Важливо!
Сила Лоренца не змінює кінетичну енергіючастинки та модуль її швидкості. Під дією сили Лоренца змінюється напрямок швидкості частки.

Якщо вектор швидкості спрямований під кутом ((alpha)) (0°< \(\alpha \) < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.

В цьому випадку вектор швидкості частинки можна представити як суму двох векторів швидкості, один з яких, , (\vec(v)_2 \) , паралельний вектору \(\vec(B) \) , а інший, \(\vec (v)_1 \), - перпендикулярний йому. Вектор \(\vec(v)_1 \) не змінюється ні за модулем, ні за напрямом. Вектор \(\vec(v)_2 \) змінюється у напрямку. Сила Лоренца буде повідомляти частині, що рухається, прискорення, перпендикулярне вектору швидкості \(\vec(v)_1 \) . Частка рухатиметься по колу. Період обігу частки по колу - (T).

Таким чином, на рівномірний рух уздовж лінії індукції накладатиметься рух по колу в площині, перпендикулярній вектору \(\vec(B) \) . Частка рухається по гвинтовій лінії з кроком (h = v_2T).

Важливо!
Якщо частка рухається в електричному та магнітному полях, то повна сила Лоренца дорівнює:

Особливості руху зарядженої частинки в магнітному полі використовуються у мас-спектрометрах – пристроях для виміру мас заряджених частинок; прискорювачах частинок; для термоізоляції плазми в установках "Токамак".

Алгоритм розв'язання задач про дію магнітного (і електричного) поля на заряджені частинки:

• зробити креслення, вказати на ньому силові лінії магнітного (і електричного) поля, намалювати вектор початкової швидкості частинки та відзначити знак її заряду;
• зобразити сили, які діють заряджену частку;
• визначити вид траєкторії частки;
• розкласти сили, що діють на заряджену частинку, вздовж напрямку магнітного поля та у напрямку, йому перпендикулярному;
• скласти основне рівняння динаміки матеріальної точки за кожним із напрямів розкладання сил;
• висловити сили через величини, яких вони залежать;
• розв'язати отриману систему рівнянь щодо невідомої величини;
• рішення перевірити.

Основні формули розділу "Магнітне поле"