Магнитное поле. Индукция

Магнитное поле. Индукция

Давно известно, что кусочки магнитного железняка способны притягивать к себе металлические предметы: гвозди, гайки, металлические опилки, иголки и др. Такой способностью их наделила природа. Это естественные магниты

Подвергнем воздействию естественного магнита брусок из железа. Через некоторое время он сам намагнитится и начнёт притягивать другие металлические предметы. Брусок стал искусственным магнитом. Уберём магнит. Если намагничивание при этом исчезнет, то говорят о временном намагничивании. Если же оно останется, то перед нами постоянный магнит.

Концы магнита, притягивающие металлические предметы наиболее сильно, называют полюсами магнита. Слабее всего притяжение в его средней зоне. Её называют нейтральной зоной.

Если к средней части магнита прикрепить нить и позволить ему свободно вращаться, подвесив его к штативу, то он развернётся таким образом, что один из его полюсов будет ориентирован строго на север, а другой строго на юг. Конец магнита, обращённый на север, называют северным полюсом (N), а противоположный – южным (S).

Взаимодействие магнитов

Магнитное поле. Индукция 

Магнит притягивает другие магниты, не соприкасаясь с ними. Одноимённые полюсы разных магнитов отталкиваются, а разноимённые притягиваются. Не правда ли, это напоминает взаимодействие электрических зарядов?

Электрические заряды оказывают действие друг на друга с помощью электрического поля, образующегося вокруг них. Постоянные магниты взаимодействуют на расстоянии, потому что вокруг них существует магнитное поле.

Физики XIX века пытались представить магнитное поле как аналог электростатического. Они рассматривали полюсы магнита как положительный и отрицательный магнитные заряды (северный и южный полюсы соответственно). Но вскоре поняли, что изолированных магнитных зарядов не существует.

Два одинаковых по величине, но разных по знаку электрических заряда называют электрическим диполем.  Магнит имеет два полюса и является магнитным диполем.

Магнитное поле. Индукция

Заряды в электрическом диполе можно легко отделить друг от друга, разрезав на две части проводник, в разных частях которого они находятся. Но с магнитом так не получится. Разделив таким же способом постоянный магнит, мы получим два новых магнита, каждый из которых тоже будет иметь два магнитных полюса.

Магнитное поле. Индукция

И сколько бы не делили их дальше, всё равно будут получаться магнитные диполи.

Магнитное поле. Индукция

Тела, имеющие собственное магнитное поле, называются магнитами. Различные материалы по-разному притягиваются к ним. Это зависит от структуры материала. Свойство материалов создавать магнитное поле под воздействием внешнего магнитного поля, называется магнетизмом.

Наиболее сильно притягиваются к магнитам ферромагнетики. Причём их собственное магнитное поле, создаваемое молекулами, атомами или ионами, в сотни раз превосходит вызвавшее его внешнее магнитное поле. Ферромагнетиками являются такие химические элементы, как железо, кобальт, никель, а также некоторые сплавы.

Парамагнетики – вещества, намагничивающиеся во внешнем поле в его направлении. Притягиваются к магнитам слабо. Химические элементы алюминий, натрий, магний, соли железа, кобальта, никеля и др. – примеры парамагнетиков.

Но есть материалы, которые не притягиваются, а отталкиваются от магнитов. Их называют диамагнетиками. Они намагничиваются против направления внешнего магнитного поля, но отталкиваются от магнитов довольно слабо. Это медь, серебро, цинк, золото, ртуть и др.

Опыт Эрстеда

Магнитное поле. Индукция

Однако магнитное поле создают не только постоянные магниты.

В 1820 г. датский физик Ханс Кристиан Э́рстед на одной из своих лекций в университете демонстрировал студентам опыт по нагреванию проволоки от «вольтова столба». Один из проводов электрической цепи оказался на стеклянной крышке морского компаса, лежащего на столе. Когда учёный замкнул электрическую цепь и по проводу пошёл ток, магнитная стрелка компаса вдруг отклонилась в сторону. Конечно, Эрстед поначалу подумал, что это просто случайность. Но, повторив опыт в тех же условиях, он получил тот же результат. Тогда он начал менять расстояние от провода до стрелки. Чем бόльшим оно было, тем слабее отклонялась стрелка. Но и это ещё не всё. Пропуская ток через провода, сделанные из разных металлов, он обнаружил, что даже те из них, которые не обладали магнитными свойствами, вдруг становились магнитами, когда через них проходил электрический ток. Стрелка отклонялась, даже когда её отделяли от провода с током экранами из материалов, не проводящих ток: дерева, стекла, камней. Даже когда её поместили в резервуар с водой, она всё равно продолжала отклоняться. При разрыве электрической цепи магнитная стрелка компаса возвращалась в исходное состояние. Это означало, что проводник, по которому идёт электрический ток, создаёт магнитное поле, заставляющее стрелку устанавливаться в определённом направлении.

Магнитное поле. Индукция

Ханс Кристиан Эрстед

Магнитная индукция

Магнитное поле. Индукция 

Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция. Это векторная величина, определяющая его действие на движущиеся заряды в данной точке поля.

Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением северного полюса магнитной стрелки, находящейся в магнитном поле. Единица измерения магнитной индукции в системе СИ – тесла (Тл). Измеряют магнитную индукции приборами, которые называются тесламетрами.

Если векторы магнитной индукции поля одинаковы по величине и направлению во всех точках поля, то такое поле называется однородным.

Нельзя путать понятие индукции магнитного поля и явление электромагнитной индукции.

Графически магнитное поле изображают с помощью силовых линий.

Силовыми линиями, или линиями магнитной индукции, называют линии, касательные к которым в данной точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции. Густота этих линий отображает величину вектора магнитной индукции.

Картину расположения этих линий можно получить с помощью простого опыта. Рассыпав на куске гладкого картона или стекла железные опилки и положив его на магнит, можно увидеть, как опилки располагаются по определённым линиям. Эти линии имеют форму силовых линий магнитного поля.

Линии магнитной индукции всегда замкнуты. Они не имеют ни начала, ни конца. Выходя из северного полюса, они входят в южный и замыкаются внутри магнита.

Поля с замкнутыми векторными линиями называются вихревыми. Следовательно, магнитное поле является вихревым. В каждой его точке вектор магнитной индукции имеет своё направление. Его определяют по направлению магнитной стрелки в этой точке или по правилу буравчика (для магнитного поля вокруг проводника с током).

Правило буравчика (винта) и правило правой руки

Эти правила дают возможность просто и довольно точно определить направление линий магнитной индукции, не используя никаких физических приборов.

Чтобы понять, как работает правило буравчика, представим себе, что правой рукой мы вкручиваем бур или штопор.

Магнитное поле. Индукция

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

Разновидностью данного правила является правило правой руки.

Магнитное поле. Индукция

Если мысленно обхватить правой рукой проводник с током таким образом, чтобы отогнутый на 90° большой палец показывал направление тока, то остальные пальцы покажут направление линий магнитной индукции поля, создаваемого этим током, и направление вектора магнитной индукции, направленного по касательной к этим линиям.

Магнитный поток

Магнитное поле. Индукция

Поместим в однородное магнитное поле плоский замкнутый контур. Величина, равная количеству силовых линий, проходящих через поверхность контура, называется магнитным потоком.

Ф = В·cosα,

где Ф – величина магнитного потока;

В – модуль вектора индукции;

S – площадь контура;

α – угол между направлением вектора магнитной индукции и нормалью (перпендикуляром) к плоскости контура.

С изменением угла наклона меняется величина магнитного потока.

Если плоскость контура перпендикулярна магнитному полю (α = 0), то магнитный поток, проходящий через неё будет максимальным.

Фmax = В·S

Если же контур расположен параллельно магнитному полю (α =900), то поток в этом случае будет равен нулю.

Сила Лоренца

Магнитное поле. Индукция 

Мы знаем, что электрическое поле действует на любые заряды, независимо от того находятся ли они в состоянии покоя или движутся. Магнитное поле способно оказывать воздействие только на движущиеся заряды.

Выражение для силы, действующей со стороны магнитного поля на движущийся в нём единичный электрический заряд, установил нидерландский физик-теоретик Хендрик Антон Ло́ренц. Силу эту назвали силой Лоренца.

Магнитное поле. Индукция

Хендрик Антон Лоренц 

Модуль силы Лоренца определяют по формуле:

F = sinα,

где q – величина заряда;

v – скорость движения заряда в магнитном поле;

B - модуль вектора индукции магнитного поля;

α - угол между вектором индукции и вектором скорости.

Куда же направлена сила Лоренца? Это легко определить с помощью правила левой руки: «Если расположить ладонь левой руки таким образом, чтобы четыре вытянутых пальца показывали направление движения положительного электрического заряда, а силовые линии магнитного поля входили в ладонь, то отогнутый на 900 большой палец покажет направление силы Лоренца».

Магнитное поле. Индукция

 

Закон Ампера

Магнитное поле. Индукция

В 1820 г. после того как Эрстед установил, что электрический ток создаёт магнитное поле, известный французский физик Андре Мари Ампер продолжил исследования по взаимодействию между электрическим током и магнитом.

Магнитное поле. Индукция

Андре Мари Ампер

В результате проведенных опытов учёный выяснил, что на прямой проводник с током, находящийся в магнитном поле с индукцией В, со стороны поля действует сила F, пропорциональная силе тока и индукции магнитного поля. Этот закон получил название закона Ампера, а силу назвали силой Ампера.

F = sinα,

где I – сила тока в проводнике;

L - длина проводника в магнитном поле;

B - модуль вектора индукции магнитного поля;

α - угол между вектором магнитного поля и направлением тока в проводнике.

Сила Ампера имеет максимальное значение, если угол α равен 900.

Направление силы Ампера, как и силы Лоренца, также удобно определять по правилу левой руки.

Располагаем левую руку таким образом, чтобы четыре пальца указывали направление тока, а линии поля входили в ладонь. Тогда отогнутый на 900 большой палец укажет направление силы Ампера.

Наблюдая взаимодействие двух тонких проводников с током, учёный выяснил, что параллельные проводники с током, притягиваются, если токи в них текут в одном направлении, и отталкиваются, если направления токов противоположны.

Магнитное поле Земли

Магнитное поле. Индукция

Наша планета представляет собой гигантский постоянный магнит, вокруг которого существует магнитное поле. Этот магнит имеет северный и южный полюсы. Вблизи них магнитное поле Земли проявляется наиболее сильно. Стрелка компаса устанавливается вдоль магнитных линий. Один конец её направлен к северному полюсу, другой к южному.

Магнитные полюсы Земли время от времени меняются местами. Правда, случается это не часто. За последний миллион лет это происходило 7 раз.

Магнитное поле защищает Землю от космического излучения, которое разрушительно действует на всё живое.

На магнитное поле Земли влияет солнечный ветер, представляющий собой поток ионизированных частиц, вырывающихся из солнечной короны с огромной скоростью. Особенно он усиливается во время вспышек на Солнце. Пролетающие мимо нашей планеты частицы создают дополнительные магнитные поля, в результате чего изменяются характеристики магнитного поля Земли. Возникают магнитные бури. Правда, длятся они недолго. И спустя некоторое время магнитное поле восстанавливается. Но проблем они могут создать немало, так как влияют на работу линий электропередач, радиосвязи, вызывают сбои в работе различных приборов, ухудшают работу сердечно-сосудистой, дыхательной и нервной систем человека. Особенно чувствительны к ним метеозависимые люди.