Как обнаружить постоянное магнитное поле

Постоянное магнитное поле

Магнитное поле — одна из форм электромагнитного поля, которое действует только на движущиеся тела, которые имеют электрический заряд или намагниченные тела не зависимо от их движения.

Источниками этого поля являются постоянные электрические токи, движущиеся электрические заряды (телами и частицами), намагниченные тела, переменные электрические поля. Источниками постоянного магнитного поля являются постоянные токи.

Свойства магнитного поля

Во времена, когда изучение магнитных явлений только началось, исследователи особенное внимание уделяли тому, что существуют полюса в намагниченных брусках. В них магнитные свойства проявлялись особенно ярко. При этом четко было видно, что полюса магнита различны. Разноименные полюса притягивались, а одноименные отталкивались. Гильберт высказал идею о существовании «магнитных зарядов». Эти представление подержал и развил Кулон. На основе опытов Кулона силовой характеристикой магнитного поля стала сила, с которой магнитное поле действует на магнитный заряд, равный единице. Кулон же обратил внимание на существенные различия между явлениями в электричестве и магнетизме. Различие проявляется уже в том, что электрические заряды можно разделить и получить тела с избытком положительного или отрицательного заряда, тогда как невозможно разделить северный и южный полюса магнита и получить тело только с одним полюсом. Из невозможности деления магнита на исключительно «северный» или «южный» Кулон решил, что два эти вида зарядов неразрывны в каждой элементарной частице намагничивающего вещества. Так, было признано, что каждая частица вещества — атом, молекула или их группа — есть нечто вроде микро магнита с двумя полюсами. Намагничивание тела при этом — процесс ориентации его элементарных магнитов под влиянием внешнего магнитного поля (аналог поляризации диэлектриков).

Взаимодействие токов реализуется посредством магнитных полей. Эрстед обнаружил, что магнитное поле возбуждается током и оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку. У Эрстеда проводник с током был расположен над магнитной стрелкой, которая могла вращаться. Когда ток шел в проводнике, стрелка поворачивалась перпендикулярно проволоке. Смена направления тока вызывало переориентацию стрелки. Из опыта Эрстеда следовало, что магнитное поле имеет направление и должно характеризоваться векторной величиной. Эту величину назвали магнитной индукцией и обозначили: $\overrightarrow.$ $\overrightarrow$ аналогичен вектору напряженности для электрического поля ($\overrightarrow$). Аналогом вектора смещения $\overrightarrow\ $для магнитного поля стал вектор $\overrightarrow$- называемый вектором напряжённости магнитного поля.

Магнитное поле воздействует только на движущийся электрический заряд. Магнитное поле рождается движущимися электрическими зарядами.

Магнитное поле движущегося заряда. Магнитное поле витка с током. Принцип суперпозиции

Магнитное поле электрического заряда, который движется с постоянной скоростью, имеет вид:

где $<\mu >_0=4\pi \cdot ^\frac(в\ СИ)$ — магнитная постоянная, $\overrightarrow$ — скорость движения заряда, $\overrightarrow$ — радиус вектор, определяющий местоположение заряда, q — величина заряда, $\left[\overrightarrow\overrightarrow\right]$- векторное произведение.

Магнитная индукция элемента с током в системе СИ:

где$\ \overrightarrow$- радиус-вектор, проведенный из элемента тока в рассматриваемую точку, $\overrightarrow$- элемент проводника с током (направление задано направление тока), $\vartheta$ — угол между $\overrightarrow$ и $\overrightarrow$. Направление вектора $\overrightarrow$ — перпендикулярно к плоскости, в которой лежат $\overrightarrow$ и $\overrightarrow$. Определяется правилом правого винта.

Для магнитного поля выполняется принцип суперпозиции:

где $<\overrightarrow>_i$ — отдельные поля, которые порождаются движущимися зарядами, $\overrightarrow$ — суммарная индукция магнитного поля.

Статья: Постоянное магнитное поле

Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов

Задание: Найдите отношение сил магнитного и кулоновского взаимодействия двух электронов, которые движутся с одинаковыми скоростями $v$ параллельно. Расстояние между частицами постоянно.

Будем считать, что один электрон поле создает (и магнитное и электрическое), а другой в нем движется. Тогда на электрон, который движется в поле, действует со стороны магнитного поля сила равная (система СИ):

Поле, которое создает второй движущийся электрон равно:

Модуль силы Кулона, которая действует на электрон, в поле равна:

Найдем отношение сил $\frac$:

«Постоянное магнитное поле» ��
Помощь эксперта по теме работы
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов

Задание: По витку с током в виде окружности радиуса R циркулирует постоянный ток силы I. Найдите магнитную индукцию в центре окружности.

Выберем на проводнике с током элементарный участок (рис.1), в качестве основы для решения задачи используем формулу индукции элемента витка с током:

где$\ \overrightarrow$- радиус-вектор, проведенный из элемента тока в рассматриваемую точку, $\overrightarrow$- элемент проводника с током (направление задано направление тока), $\vartheta$ — угол между $\overrightarrow$ и $\overrightarrow$. Исходя из рис. 1 $\vartheta=90<>^\circ $, следовательно (2.1) упростится, кроме того расстояние от центра окружности (точки, где мы ищем магнитное поле) элемента проводника с током постоянно и равно радиусу витка (R), следовательно имеем:

От всех элементов тока будет образовываться магнитные поля, которые направлены по оси x. Это значит, что результирующий вектор индукции магнитного поля можно найти как сумму проекций отдельных векторов$\ \ \overrightarrow.$ Тогда по принципу суперпозиции полную индукцию магнитного поля можно получить, если перейти к интегралу:

Подставим (2.2) в (2.3), получим:

Как устроен постоянный магнит

Постоянные магниты нужны во многих, если не во всех отраслях промышленности. И уж конечно они незаменимы в быту.

Однако мало кто знает, как устроен магнит и чем объясняются его свойства. За счет чего с виду маленький магнитный камушек может притягивать к себе, к примеру, металлические шайбы для магнитов? Чтобы разъяснить этот момент, придется сделать небольшой экскурс в электрофизику, а также коснуться природы силовых полей – особого вида материи.

Устройство магнита

Магнитное поле формируется вокруг движущихся элементарных частиц – электронов и ионов. Таким образом, самым простым и маленьким магнитом является электрон. Именно от его магнитных моментов и зависят свойства того или иного материала.

В большинстве веществ внутренние векторы магнитного поля атомов, формируемые хаотичным передвижением электронов, нейтрализуют друг друга. Но если в кристаллической структуре твердого вещества направленность магнитных полей совпадает, то такой объект обладает однонаправленным магнитным полем.

На заметку. Яркий пример природного магнита – осколок железной руды. Притянуть груду металла он, конечно, не сможет, но небольшие железные предметы с близкого расстояния – вполне. Гигантским естественным магнитом можно назвать нашу планету, у которой есть собственное магнитное поле.

Визуализация магнитных полей

Устройство постоянного магнита

Магнитный эффект известен человечеству с древнейших времен. И тем не менее: до изобретения электричества его природа оставалась загадкой.

Зато после обнаружения связи между электричеством и магнетизмом появился электромагнит, а за ним и постоянный магнит. Ученые поняли: хочешь придать материалу магнитные свойства – перестрой его внутренние поля в одном направлении и сохраняй их в этом положении. Впоследствии выяснилось, что для этого подходят не все вещества, а только ферромагнетики. К таковым относят железо, кобальт, никель и многие редкоземельные элементы.

Чтобы понять, как устроен постоянный магнит, представьте стержень, прошедший термическую обработку и намагниченный внешним магнитным полем до насыщения. Такая технология позволяет создать однонаправленное магнитное поле за счет обеспечения необходимого положения молекул.

Характеристики получившегося магнита в первую очередь зависят от свойств используемых сплавов. Сейчас самыми мощными и цепкими магнитами считаются редкоземельные супермагниты на основе соединения неодима, железа и бора.

Различные части постоянных магнитов по-разному притягивают металлические объекты. Максимальная сила сцепления наблюдается там, где проходят полюса. В средней части магнита напряжение практически отсутствует, из-за чего ее называют нейтральной зоной. Магниты в виде подковы или полосовые магниты всегда имеют два полюса и нейтральную зону между ними.

На заметку. Стальной объект можно намагнитить так, чтобы получить 4, 6, 8 и более полюсов с нейтральными зонами между ними. Главное, чтобы полюсов было четное количество. По-другому не получится.

Постоянные магниты могут терять свои свойства. В первую очередь опасен нагрев: сформированная кристаллическая структура материала рискует нарушиться. Кроме того, магниты со временем размагничиваются, это неизбежно. Другой вопрос – насколько быстро это произойдет? Самые долговечные – неодимовые магниты: в обычных условиях за 100 лет они теряют не более 10% мощности.

В каталоге интернет-магазина «Мир Магнитов» вы найдете постоянные магниты для решения любых практических задач. Зная, как устроены магниты, вы сможете использовать их еще эффективней. Выбирайте подходящие товары и оформляйте заказ с выгодными условиями доставки.

Автор: Виктория Костюченко

Количество просмотров: 32093

Количество комментариев: 0

Магнитное поле

Электрические и магнитные явления связаны, так как имеют общую природу ― электромагнитное поле. Движение электрических зарядов всегда создает магнитное поле, а магнитное поле, в свою очередь, всегда вызывает перемещение электрических зарядов.

Так как ток ― это направленное перемещение электрических зарядов, то протекание тока в проводнике всегда создает магнитное поле вокруг проводника.

Линии магнитного поля, которое создается проводниками с электрическим током.

Для изображения магнитных полей используют магнитные силовые линии ― линии, на которых модуль вектора магнитной индукции одинаков и равен В, а сам вектор магнитной индукции \(\overrightarrow\) направлен по касательной к линии. Линии магнитной индукции всегда замкнуты.

Для обозначения направлений движения тока и направлений магнитных силовых линий, помимо стрелок «вправо» → и «влево» ←, используются знаки «от нас» ― ⊗ или ⊕ (как торец оперения стрелы, летящей от нас), и «к нам» • или ⊙ (как острие летящей на нас стрелы).

Чтобы определить направление вектора магнитной индукции \(\overrightarrow\) , которое создает ток, протекающий в прямом проводнике, используется правило правого винта: если представить, что вкручиваешь винт по направлению тока ― то направление вращения винта покажет направление вектора магнитной индукции.

Магнитное поле, которое создает ток в прямом проводнике, представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. При этом, некоторая область магнитного поля всегда направлена на нас, а другая ― от нас.

Чтобы определить направление вектора магнитной индукции \(\overrightarrow\) , которое создает ток, в круговом проводнике или витках катушки, используется правило правого винта: если ток вращается по часовой стрелке, то магнитное поле будет направленно «от нас». Если ток течет против часовой стрелки, то ток будет направлен «на нас».

Сила Ампера ― сила, действующая на проводник с током со стороны магнитного поля.

Сила ампера равна

I ― сила тока в проводнике [A];

sinα ― синус угла между проводником и вектором магнитной индукции.

Сила Ампера максимальна, если между проводником и вектором магнитной индукции угол равен α = 90°, так как sinα = sin90° = 1 и F_A = IBLsin90° = IBL.

Если проводник расположен параллельно вектору магнитной индукции, т. е. α = 0° ― сила Ампера отсутствует, так как sinα = sin0° = 0 и F_A = IBLsin0° = 0.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если ладонь расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца указывали направление тока ― то противопоставленный большой палец укажет направление силы Ампера.

Взаимодействие проводников с током

Ток, протекающий в проводнике, создает магнитное поле. Если рядом расположен еще один проводник, в котором протекает ток ― то второй проводник оказывается в магнитном поле, которое создает первый. На проводник в магнитном поле действует сила Ампера, в результате чего проводники с током или притягиваются, или отталкиваются друг от друга.

Пусть в проводниках 1 и 2 токи текут в одном направлении. Тогда первый проводник создает магнитное поле, направленное против часовой стрелки. В области, близлежащей к проводнику 2 это поле направлено перпендикулярно проводнику и от него. Согласно правилу левой руки, сила Ампера, которая действует со стороны магнитного поля, создаваемого проводником 1 на проводник с током 2, F_1-2 направлено в сторону проводника 1.

Магнитное поле и его характеристики

При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле. Магнитное поле представляет собой один из видов материи. Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю (рис. 1). Магнитное поле образуется только вокруг движущихся электрических зарядов, и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды. Магнитное и электрическое поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле. Всякое изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля и, наоборот, всякое изменение магнитного поля сопровождается возникновением электрического поля. Электромагнитное поле распространяется со скоростью света, т. е. \(300\ 000\) км/с.

Графическое изображение магнитного поля. Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми линиями, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля; магнитные силовые линии всегда являются непрерывными и замкнутыми. Направление магнитного поля в каждой точке может быть определено при помощи магнитной стрелки. Северный полюс стрелки всегда устанавливается в направлении действия сил поля. Конец постоянного магнита, из которого выходят силовые линии (рис. 2, а), принято считать северным полюсом, а противоположный конец, в который входят силовые линии, – южным полюсом (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны). Распределение силовых линий между полюсами плоского магнита можно обнаружить при помощи стальных опилок, насыпанных на лист бумаги, положенный на полюсы (рис. 2, б). Для магнитного поля в воздушном зазоре между двумя параллельно расположенными разноименными полюсами постоянного магнита характерно равномерное распределение силовых магнитных линий (рис. 3) (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны).

Рис.1 Схемы действия магнитного поля на движущиеся электрические заряды: положительный ион (а) и электрон (б).

Рис. 2 Магнитное поле, созданное постоянным магнитом.

Рис. 3 Однородное магнитное поле между полюсами постоянного магнита.

Рис. 4 Магнитный поток, пронизывающий катушку при перпендикулярном (а) и наклонном (б) ее положениях по отношению к направлению магнитных силовых линий.

Для более наглядного изображения магнитного поля силовые линии располагают реже или гуще. В тех местах, где магнитное поле сильнее, силовые линии располагают ближе друг к другу, там же, где оно слабее, – дальше друг от друга. Силовые линии нигде не пересекаются. Во многих случаях удобно рассматривать магнитные силовые линии как некоторые упругие растянутые нити, которые стремятся сократиться, а также взаимно отталкиваются друг от друга (имеют взаимный боковой распор). Такое механическое представление о силовых линиях позволяет наглядно объяснить возникновение электромагнитных сил при взаимодействии магнитного поля и Проводника с током, а также двух магнитных полей.

Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток, магнитная проницаемость и напряженность магнитного поля. Интенсивность магнитного поля, т. е. способность его производить работу, определяется величиной, называемой магнитной индукцией. Чем сильнее магнитное поле, созданное постоянным магнитом или электромагнитом, тем большую индукцию оно имеет. Магнитную индукцию В можно характеризовать плотностью силовых магнитных линий, т. е. числом силовых линий, проходящих через площадь 1 м \(^2\) или 1 см \(^2\) , расположенную перпендикулярно магнитному полю. Различают однородные и неоднородные магнитные поля. В однородном магнитном поле магнитная индукция в каждой точке поля имеет одинаковое значение и направление. Однородным может считаться поле в воздушном зазоре между разноименными полюсами магнита или электромагнита (см. рис. 3) при некотором удалении от его краев. Магнитный поток Ф, проходящий через какую-либо поверхность, определяется общим числом магнитных силовых линий, пронизывающих эту поверхность, например катушку 1 (рис. 4, а), следовательно, в однородном магнитном поле Ф = BS, где S – площадь поперечного сечения поверхности, через которую проходят магнитные силовые линии. Отсюда следует, что в таком поле магнитная индукция равна потоку, поделенному на площадь S поперечного сечения: \(B =\frac Ф S\) . Если какая-либо поверхность расположена наклонно по отношению к направлению магнитных силовых линий (рис. 4, б), то пронизывающий ее поток будет меньше, чем при перпендикулярном ее положении, т. е. Ф _{\(_2\)} будет меньше Ф _{\(_1\)} . В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб), эта единица имеет размерность В*с (вольт-секунда). Магнитная индукция в системе единиц СИ измеряется в теслах (Тл); 1 Тл = 1 Вб/м \(^2\) .

Пройти тест по разделу

1. Магнитный поток проходит сквозь солнечное пятно площадью \(1,2\cdot 10^\) м \(^2\) . Если средняя индукция магнитного поля пятна равна \(0,3\) Тл, а линии индукции магнитного поля пятна перпендикулярны его поверхности, то магнитный поток равен
2. Если смотреть сверху, то линии магнитной индукции направлены
3. Через катушку индуктивностью \(3\) Гн протекает постоянный электрический ток. Если сила тока в этой цепи равна \(4\) А, то энергия магнитного поля катушки равна
4. Что создает магнитное поле?
5. В чем измеряется индуктивность?
6. При уменьшении силы тока в проволочной катушке с \(6\) А до \(4\) А произошло уменьшение энергии магнитного поля на \(2\) Дж. Определите, на сколько уменьшился магнитный поток, пронизывающий катушку.
7. Какие утверждения справедливы для магнитного поля?