Що таке магнітне поле, якими основними властивостями воно має? Яке застосування його у наукових дослідженнях, у побуті та на виробництві? Про це буде розказано в цій статті із застосуванням скоріше інтуїтивного підходу, що ґрунтується на загальних прикладах реального світу.
Графічне зображення силових ліній
Електричне поле графічно зображується за допомогою силових ліній (ліній напруги), які дають наочне уявлення про розподіл напруги в просторі. Вони беруть початок із позитивного заряду, тобто із джерела енергії. Негативний заряд є приймачем силових ліній (поглиначем енергії). Чим більше потужність заряду, тим більше силових ліній виходить із нього.
Для інформації.Все щодо електричного поля насправді досить важко собі уявити. Прийнято ці поля зображати уявними кривими, які мають такі властивості: відповідне поле має напрямок, що стосується кривої в кожній точці. Щільність цих кривих говорить про те, наскільки сильним є поле у цій точці.
Магнітне поле позначають відповідними лініями. Їхній напрям звернений у бік напрямку стрілки компаса (з південного полюса до північного), якби таку ж стрілку розмістили в цю область простору. Щільність цих ліній свідчить про силу поля.
Важливо!Індукована електрорушійна сила не є однорідною, має тенденцію налаштовувати струми між точками, де найбільший та найменший потенціал. Оскільки індукція магнітного поля є векторною величиною, потрібно знайти його орієнтованість.
Магнітне поле поводиться інакше, ніж електричне: у нього ніколи не може бути джерел та поглиначів. Лінії магнітної індукції мають напрямок, як будь-яка векторна величина, але вони ніколи не починаються і не закінчуються. Лінії магнітного поля є замкненими петлями.
Для інформації.У Всесвіті магнітних зарядів немає. Говорячи про монополі в теоретичній фізиці, мають на увазі заряди, які ніхто ніколи не спостерігав. Магнітні поля – це області, де об'єкт виявляє свій вплив, залучаючи чи відштовхуючи сусідній об'єкт. Лінії магнітної індукції – це засіб, з допомогою якого поля впливають сусідні об'єкти. Магнітні сили ґрунтуються на матеріалах, з яких зроблено об'єкти. Вони не мають відношення до гравітації, оскільки величина сили тяжіння ґрунтується на масі об'єкта.
Джерела магнітного поля
Отже, магнітне поле не створюється зарядами. Що тоді є його джерелом? Воно створюється електричними струмами. Якщо струм можна уявити вектором з деяким напрямом, лінії магнітної індукції являють собою петлі, що обертаються навколо цього струму.
При зміні електричного поля у часі створюються лінії магнітної індукції навколо напряму зміни. Завдяки цьому ефекту електромагнітне поле може поширюватися навіть у порожньому просторі без струмів та зарядів.
Електромагнітне поле провідника
Будь-яка речовина складається з атомів, що включають заряди, що рухаються. Це означає, що кожному атому притаманне своє магнітне поле. Але, як правило, ці поля є різноспрямованими, і загального магнітного поля не створюється. У той час як у матеріалу (залізо, нікель, кобальт) магнітні поля атомів можуть вишиковуватися таким чином, що майже всі вони будуть однаково спрямовані. Створюється одне єдине потужне магнітне поле і матеріал намагнічується.
Важливо!Намагнічування – це впорядкування магнітних полів атомів. Порушити це можна постукуванням або нагріванням матеріалу. Атоми починають рухатися хаотично, і матеріал втрачає магнітні властивості.
Електромагнітна індукція
При будь-якій зміні магнітного потоку в ланцюзі індукується ЕРС. Якщо ланцюг замкнутий, у ньому також виникає струм. ЕРС і струм, створюваний таким чином, зберігаються доти, доки триває зміна потоку, пов'язаного з контуром. Це називають електромагнітної індукцією.
Експериментальні спостереження в досліджуваній галузі дозволили вченим вивести два знамениті закони фізики:
- Закон Фарадея. Величина індукованої е.р.с. пропорційна швидкості зміни магнітного потоку, пов'язаного з контуром;
- Закон Ленца. Напрямок індукованої е.р.с. таке, що воно виступає проти зміни магнітного потоку, що його виробляє.
Закон Фарадея є основним компонентом електротехніки. Генератори, трансформатори, станції з вироблення та виробництва електроенергії – все це ґрунтується на цьому законі: змінне магнітне поле індукує електричне поле.
Простий спосіб показати співвідношення електричних та магнітних сил називається правилом правої руки. Просте правило правої руки говорить про те, що:
- лінії індукції, отримані за допомогою струмопровідного дроту, будуть орієнтовані в тому ж напрямку, що й згорнуті пальці лівої руки людини;
- по протиставленому положенню великого пальця визначається напрямок струму.
Загальна сума магнітного потоку Ф дорівнює щільності потоку B, помноженої на площу A, якою він протікає.
Важливо!Магнітне поле має збільшувати або зменшувати інтенсивність, перпендикулярну до дроту (так, щоб лінії потоку «перетинали» провідник), інакше напруга не буде індукована. Спосіб створення магнітного поля, що змінюється з інтенсивністю, є переміщення магніту поруч з дротом або котушкою проводу.
У векторному просторі кожна точка може бути ототожнена з двома векторами: електричним полем E або магнітною індукцією B. Вони мають певні значення у кожній точці простору, які можуть бути будь-якими, навіть нульовими. За допомогою векторних ліній відображається електромагнітне поле, тому його легше і зручніше уявити.
Відео
Вже у VI ст. до н.е. в Китаї було відомо, що деякі руди мають здатність притягатися один до одного і притягувати залізні предмети. Шматки таких руд було знайдено біля міста Магнесії у Малій Азії, тому вони отримали назву магнітів.
Через що взаємодіють магніт та залізні предмети? Згадаймо, чому притягуються наелектризовані тіла? Тому що біля електричного заряду утворюється своєрідна форма матерії – електричне поле. Навколо магніту існує подібна форма матерії, але має іншу природу походження (адже руда електрично нейтральна), її називають магнітним полем.
Для вивчення магнітного поля використовують прямий чи підковоподібний магніти. Певні місця магніту мають найбільшу притягуючу дію, їх називають полюсами(північний та південний). Різноіменні магнітні полюси притягуються, а однойменні відштовхуються.
Для силової характеристики магнітного поля використовують вектор індукції магнітного поля B. Магнітне поле графічно зображують за допомогою силових ліній ( лінії магнітної індукції). Лінії є замкнутими, немає ні початку, ні кінця. Місце, з якого виходять магнітні лінії – північний полюс (North), входять магнітні лінії у південний полюс (South).
Магнітне поле можна зробити "видимим" за допомогою залізної тирси.
Магнітне поле провідника зі струмом
А тепер про те, що виявили Ханс Крістіан Ерстеді Андре Марі Амперв 1820 р. виявляється, магнітне поле існує як навколо магніту, а й будь-якого провідника зі струмом. Будь-який провід, наприклад, шнур від лампи, яким протікає електричний струм , є магнітом! Провід зі струмом взаємодіє з магнітом (спробуйте піднести до нього компас), два дроти зі струмом взаємодіють один з одним.
Силові лінії магнітного поля прямого струму – це кола навколо провідника.
Напрямок вектора магнітної індукції
Напрямок магнітного поля в цій точці можна визначити як напрямок, який вказує північний полюс стрілки компаса, вміщеного в цю точку.
Напрямок ліній магнітної індукції залежить від напрямку струму у провіднику.
Визначається напрямок вектора індукції за правилом буравчикачи правилу правої руки.
Вектор магнітної індукції
Це векторна величина, що характеризує силову дію поля.
Індукція магнітного поля нескінченного прямолінійного провідника зі струмом на відстані r від нього:
Індукція магнітного поля в центрі тонкого витка кругового радіуса r:
Індукція магнітного поля соленоїда(котушка, витки якої послідовно обходяться струмом в одному напрямку):
Принцип суперпозиції
Якщо магнітне поле у цій точці простору створюється кількома джерелами поля, то магнітна індукція - векторна сума індукцій кожного з полів окремо
Земля є не тільки великим негативним зарядом і джерелом електричного поля, але в той же час магнітне поле нашої планети подібне до поля прямого магніту гігантських розмірів.
Географічний південь знаходиться неподалік магнітної півночі, а географічна північ наближена до магнітного півдня. Якщо компас розмістити у магнітному полі Землі, його північна стрілка орієнтується вздовж ліній магнітної індукції у бік південного магнітного полюса, тобто вкаже нам, де розташовується географічний північ.
Характерні елементи земного магнетизму дуже повільно змінюються з часом. вікові зміни. Однак іноді відбуваються магнітні бурі, коли протягом кількох годин магнітне поле Землі сильно спотворюється, а потім поступово повертається до колишніх значень. Така різка зміна впливає самопочуття людей.
Магнітне поле Землі є "щитом", що прикриває нашу планету від частинок, що проникають із космосу ("сонячного вітру"). Поблизу магнітних полюсів потоки частинок підходять набагато ближче до Землі. При потужних сонячних спалахах магнітосфера деформується і ці частинки можуть переходити у верхні шари атмосфери, де стикаються з молекулами газу, утворюються полярні сяйва.
Частинки діоксиду заліза на магнітній плівці добре намагнічуються у процесі запису.
Поїзди на магнітній подушці ковзають над поверхнею без тертя. Потяг здатний розвивати швидкість до 650 км/год.
Робота мозку, пульсація серця супроводжується електричними імпульсами. При цьому в органах виникає слабке магнітне поле.
Чи знаєте ви,
що таке уявний експеримент, gedanken experiment?
Це неіснуюча практика, потойбічний досвід, уяву того, чого насправді немає. Думкові експерименти подібні до снам наяву. Вони народжують чудовиськ. На відміну від фізичного експерименту, який є досвідченою перевіркою гіпотез, "думковий експеримент" фокусічно підміняє експериментальну перевірку бажаними, не перевіреними на практиці висновками, маніпулюючи логікоподібними побудовами, що реально порушують саму логіку шляхом використання недоведених посилок як доведені. Отже, основним завданням заявників " уявних експериментів " є обман слухача чи читача шляхом заміни справжнього фізичного експерименту його " лялькою " - фіктивними міркуваннями під слово слово без самої фізичної перевірки.
Заповнення фізики уявними, " уявними експериментами " призвело до виникнення абсурдної сюрреалістичної, сплутано-заплутаної картини світу. Справжній дослідник має відрізняти такі "фантики" від справжніх цінностей.
Релятивісти і позитивісти стверджують, що "думковий експеримент" дуже корисний інструмент для перевірки теорій (також виникають у нашому розумі) на несуперечність. У цьому вони дурять людей, оскільки будь-яка перевірка може здійснюватися лише незалежним від об'єкта перевірки джерелом. Сам заявник гіпотези не може бути перевіркою своєї ж заяви, оскільки причиною самої цієї заяви є відсутність видимих для заявника протиріч у заяві.
Це ми бачимо на прикладі СТО та ОТО, які перетворилися на своєрідний вид релігії, керуючої наукою та громадською думкою. Жодна кількість фактів, що суперечать їм, не може подолати формулу Ейнштейна: "Якщо факт не відповідає теорії - змініть факт" (В іншому варіанті "- Факт не відповідає теорії? - Тим гірше для факту").
Максимально, потім може претендувати " уявний експеримент " - це лише внутрішню несуперечність гіпотези у межах своєї, часто зовсім на істинної логіки заявника. Відповідно до практики це не перевіряє. Ця перевірка може відбутися тільки в дійсному фізичному експерименті.
Експеримент на те й експеримент, що він є не витончення думки, а перевірка думки. Несуперечлива в собі думка не може сама себе перевірити. Це доведено Куртом Геделем.
Для наочного зображення магнітного поля користуються лініями магнітної індукції. Лінією магнітної індукції називають таку лінію, у кожній точці якої індукція магнітного поля (вектор) спрямована по дотичній до кривої. Напрямок цих ліній збігається з напрямком поля. Домовилися лінії магнітної індукції проводити так, щоб кількість цих ліній, що припадають на одиницю площі майданчика, перпендикулярної до них, дорівнювала б модуль індукції в даній області поля. Тоді за густотою ліній магнітної індукції судять про магнітне поле. Там, де лінії густіші, модуль індукції магнітного поля більше. Лінії магнітної індукції завжди замкнутіна відміну від ліній напруженості електростатичного поля, які розімкнуті (починаються та закінчуються на зарядах). Напрямок ліній магнітної індукції знаходиться за правилом правого гвинта: якщо поступальний рух гвинта збігається з напрямом струму, його обертання відбувається у напрямі ліній магнітної індукції.Як приклад наведемо картину ліній магнітної індукції прямого струму, що тече перпендикулярно до площини креслення від нас за креслення (рис. 2).
|
|
|
| |
Рис. 3 Знайдемо циркуляцію індукції магнітного поля по колу довільного радіусу a, що збігається з лінією магнітної індукції. Поле створюється струмом силою I, Що поточним по нескінченно довгому провіднику, розташованим перпендикулярно до площини креслення (рис. 3). Індукція магнітного поля спрямована щодо до лінії магнітної індукції. Перетворюємо вираз , так як a = 0 і cosa = 1. Індукція магнітного поля, створюваного струмом, що тече по нескінченно довгому провіднику, обчислюється за формулою: B = m0m I/(2p a), то 
Циркуляцію вектора за цим контуром, знаходимо за формулою (3): 
, так як 
- довжина окружності. Отже, 
Можна показати, що це співвідношення справедливе для контуру довільної форми, що охоплює провідник зі струмом. Якщо магнітне поле створено системою струмів I 1, I 2, ... , I n, то циркуляція індукції магнітного поля по замкнутому контуру, що охоплює ці струми, дорівнює
(4)
Співвідношення (4) є законом повного струму: циркуляція індукції магнітного поля за довільним замкнутим контуром дорівнює добутку магнітної постійної, магнітної проникності на алгебраїчну суму сил струмів, що охоплюються цим контуром.
Силу струму можна знайти, використовуючи щільність струму j: де S-Площа поперечного перерізу провідника. Тоді закон повного струму записується як
(5)
МАГНІТНИЙ ПОТІК.
За аналогією із потоком напруженості електричного поля вводиться потік індукції магнітного поля або магнітний потік. Магнітним потоком через деяку поверхню називають число ліній магнітної індукції, що пронизують її. Нехай у неоднорідному магнітному полі знаходиться поверхня площею S. Для знаходження магнітного потоку через неї подумки розділимо поверхню на елементарні ділянки площею dS, які можна вважати плоскими, а поле у межах однорідним (рис. 4). Тоді елементарний магнітний потік dФЧерез цю поверхню дорівнює: dФ B = B·dS· cos = B n dS, де B- модуль індукції магнітного поля в місці розташування майданчика, - кут між вектором та нормаллю до майданчика, B n = B · cos - проекція індукції магнітного поля на напрямок нормалі. Магнітний потік Ф B через всю поверхню дорівнює сумі цих потоків dФ B, тобто.
  Рис. 4 |
(6)
оскільки підсумовування нескінченно малих величин – це інтегрування.
У системі одиниць СІ магнітний потік вимірюється у веберах (Вб). 1 Вб = 1 Тл · 1 м 2 .
ТЕОРЕМА ГАУСА ДЛЯ МАГНІТНОГО ПОЛЯ
У електродинаміці доводиться така теорема: магнітний потік, що пронизує довільну замкнуту поверхню, дорівнює нулю , тобто.
Це співвідношення отримало назву теореми Гауса для магнітного поля. Ця теорема є наслідком те, що у природі немає " магнітних зарядів " (на відміну електричних) і лінії магнітної індукції завжди замкнуті (на відміну ліній напруженості електростатичного поля, які починаються і закінчуються на електричних зарядах).
РОБОТА З ПЕРЕМІЩЕННЯ ПРОВІДНИКА З СТРУМОМ У МАГНІТНОМУ ПОЛІ
|
Відомо, що на провідник зі струмом у магнітному полі діє сила Ампера. Якщо провідник переміщається, то за його руху ця сила здійснює роботу. Визначимо її для окремого випадку. Розглянемо електричний ланцюг, одна з ділянок DCякої може ковзати (без тертя) за контактами. У цьому ланцюг утворює плоский контур. Цей контур знаходиться в однорідному магнітному полі з індукцією перпендикулярною до площини контуру, спрямованому на нас (рис. 5). На ділянку DCдіє сила Ампера,
F = BIl · sina =BIl, (8)
де l- Довжина ділянки, I- сила струму, що тече по провіднику. - Кут між напрямками струму та магнітного поля. (У даному випадку = 90°іsin = 1). Напрямок сили знаходимо за правилом лівої руки. При переміщенні ділянки DCна елементарну відстань dxвідбувається елементарна робота dA, рівна dA = F dx. Враховуючи (8), отримуємо:
dA = BIl · dx = IB · dS = I · dФ B, (9)
оскільки dS = l dx- площа, що описується провідником при своєму русі, dФ B =B·dS- магнітний потік через цю площу або зміна магнітного потоку через площу замкнутого плоского контуру. Вираз (9) є справедливим і для неоднорідного магнітного поля. Таким чином, робота з переміщення замкнутого контуру з постійним струмом у магнітному полі дорівнює добутку сили струму зміну магнітного потоку через площу цього контуру.
ЯВИЩЕ ЕЛЕКТРОМАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ
Явище електромагнітної індукції полягає в наступному: при будь-якій зміні магнітного потоку, що пронизує площу, що охоплюється провідним контуром, у ньому виникає електрорушійна сила. Її називають е.д.с. індукції . Якщо контур замкнутий, то під дією е.р.с. з'являється електричний струм, названий індукційним .
Розглянемо один із дослідів, проведених Фарадеєм, щодо виявлення індукційного струму, отже, і е.р.с. індукції. Якщо соленоїд, замкнутий на дуже чутливий електровимірювальний прилад (гальванометр) (мал. 6), всувати або висувати магніт, то при русі магніту спостерігається відхилення стрілки гальванометра, що свідчить про виникнення індукційного струму. Те саме спостерігається при русі соленоїда щодо магніту. Якщо ж магніт і соленоїд нерухомі відносно один одного, то й індукційний струм не виникає. Таким чином, при взаємному русі зазначених тіл відбувається зміна магнітного потоку, створюваного магнітним полем магніту, через витки соленоїда, що і призводить до появи індукційного струму, викликаного е.д.с. індукції.
|
ПРАВИЛО ЛЕНЦЯ
Напрямок індукційного струму визначається правилом Ленца :індукційний струм завжди має такий напрямок, що створюване ним магнітне поле перешкоджає зміні магнітного потоку, що викликає цей струм. З цього випливає, що при зростанні магнітного потоку виникає індукційний струм буде мати такий напрямок, щоб магнітне поле, що їм породжується, було спрямоване проти зовнішнього поля, протидіючи збільшенню магнітного потоку. Зменшення магнітного потоку, навпаки, призводить до появи індукційного струму, що створює магнітне поле, що збігається у напрямку із зовнішнім полем.
« Фізика – 11 клас»
Електричне поле характеризується напруженістю електричного поля.
Напруженість електричного поля – це величина векторна. Магнітне поле характеризується магнітною індукцією.
Магнітна індукція - векторна величина, вона позначається буквою .
Напрямок вектора магнітної індукції
За напрямок вектора магнітної індукції приймається напрямок, який показує північний полюс N магнітної стрілки, що вільно встановлюється магнітному полі.
Цей напрямок збігається із напрямком позитивної нормалі до замкнутого контуру зі струмом.
Використовуючи рамку зі струмом або магнітну стрілку, можна визначити напрямок вектора магнітної індукції у будь-якій точці поля.
У магнітному полі прямолінійного провідника зі струмом магнітна стрілка в кожній точці встановлюється по дотичній до кола, площина якої перпендикулярна дроту, а центр лежить на осі дроту.
Правило буравчика
Напрямок вектора магнітної індукції встановлюють за допомогою правила свердловина.
Якщо напрямок поступального руху буравчика збігається з напрямком струму у провіднику, то напрямок обертання ручки буравчика вказує напрямок вектора магнітної індукції.
Лінії магнітної індукції
Магнітне поле можна показати за допомогою ліній магнітної індукції.
Лініями магнітної індукціїназивають лінії, дотичні до яких у будь-якій їх точці збігаються з вектором у цій точці поля. Лінії вектора магнітної індукції аналогічні лініям вектора напруги електростатичного поля.
Лінії магнітної індукції можна зробити видимими, скориставшись залізною тирсою.
Магнітне поле прямолінійного провідника зі струмом
Для прямого провідника зі струмом лінії магнітної індукції є концентричними колами, що лежать у площині, перпендикулярній цьому провіднику зі струмом. Центр кіл знаходиться на осі провідника. Стрілки на лініях вказують, у який бік направлений вектор магнітної індукції, що стосується цієї лінії.
Магнітне поле котушки зі струмом (соленоїда)
Якщо довжина соленоїда набагато більша за його діаметр, то магнітне поле всередині соленоїда можна вважати однорідним.
Лінії магнітної індукції такого поля паралельніі знаходяться на рівних відстанях один від одного.
Магнітне поле Землі
Лінії магнітної індукції поля Землі подібні до ліній магнітної індукції поля соленоїда.
Магнітна вісь Землі складає з віссю обертання Землі кут 11,5 °.
Періодично магнітні полюси змінюють свою полярність.
Вихрове поле
Силові лінії електростатичного поля мають джерела: вони починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних.
А лінії магнітної індукції немає ні початку, ні кінця, вони завжди замкнуті.
Поля із замкнутими векторними лініями називають вихровими.
Магнітне поле – вихрове поле.
Магнітне поле немає джерел.
Магнітних зарядів, подібних до електричних, у природі не існує.
Отжемагнітне поле - це вихрове поле, в кожній його точці вектор магнітної індукції вказує магнітна стрілка, напрямок вектора магнітної індукції можна визначити за правилом буравчика
