Представление о магнитном поле / Хабр
Мы все знаем, что такое постоянные магниты. Магниты – это металлические тела, притягивающиеся к другим магнитам и к некоторым металлам. То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.
За направление электрического тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если же движутся отрицательные заряды, то направление тока считается обратным движению таких зарядов. Представьте себе, что по кольцевой трубе течет вода. Но мы будем считать, что некий «ток» при этом движется в противоположном направлении. Электрический ток обозначается буквой I.
В металлах ток образуется движением электронов – отрицательно заряженных частиц.
Если мы посмотрим на этот проводник с левой стороны, так, чтобы ток шел «от нас», то магнитное поле этого тока будет направлено вокруг него по часовой стрелке.
Если рядом с этим проводником расположить компас, то его стрелка развернется перпендикулярно проводнику, параллельно «силовым линиям магнитного поля» — параллельно черной кольцевой стрелке на рисунке.Если мы возьмем шарик, имеющий положительный заряд (имеющий дефицит электронов) и бросим его вперед, то вокруг этого шарика появится точно такое же кольцевое магнитное поле, закручивающееся вокруг него по часовой стрелке.
Если есть ток, вокруг него должно быть магнитное поле.Движущийся заряд (или множество зарядов – в случае электрического тока в проводнике) создает вокруг себя «тоннель» из магнитного поля. Стенки этого «тоннеля» «плотнее» вблизи движущего заряда. Чем дальше от движущегося заряда, тем слабее напряженность («сила») создаваемого им магнитного поля. Тем слабее реагирует на это поле стрелка компаса.
Закономерность распределение напряженности магнитного поля вокруг его источника такая же, как закономерность распределения электрического поля вокруг заряженного тела – она обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника поля.
Если положительно заряженный шарик перемещается по кругу, то кольца магнитных полей, образующихся вокруг него по мере его движения, суммируются, и мы получим магнитное поле, направленное перпендикулярно плоскости, в которой перемещается заряд:
Магнитный «тоннель» вокруг заряда оказывается свернутым в кольцо и напоминает по форме тор (бублик).
Такой же эффект получается, если свернуть в кольцо проводник с током. Проводник с током, свернутый в многовитковую катушку называется электромагнитом. Вокруг катушки складываются магнитные поля движущихся в ней заряженных частиц — электронов.
А если заряженный шарик вращать вокруг его оси, то у него появится магнитное поле, как у Земли, направленное вдоль оси вращения. В данном случае током, вызывающим появление магнитного поля, является круговое движение заряда вокруг оси шарика – круговой электрический ток.
Здесь, по сути, происходит то же самое, что и при движении шарика по кольцевой орбите. Только радиус этой орбиты уменьшен до радиуса самого шарика.Все сказанное выше справедливо и для шарика заряженного отрицательно, но его магнитное поле будет направлено в противоположную сторону.
Данный эффект был обнаружен в опытах Роуланда и Эйхенвальда. Эти господа регистрировали магнитные поля вблизи вращающихся заряженных дисков: рядом с этими дисками начинала отклоняться стрелка компаса.
Направления магнитных полей в зависимости от знака заряда дисков и направления их вращения, показаны на рисунке:
Модель магнитного поля движущегося заряда
Чтобы запомнить направление магнитного поля движущегося положительного заряда, мы представим себя на его месте. Поднимем правую руку вверх, затем укажем ею направо, затем опустим ее вниз, затем укажем влево и вернем руку в исходное положение – вверх. Затем повторим это движение. Наша рука описывает круги по часовой стрелке. Теперь начнем движение вперед, продолжая вращать рукой. Движение нашего тела – аналог движения положительного заряда, а вращение руки по часовой стрелке – аналог магнитного поля заряда.Теперь представьте себе, что вокруг нас находится тонкая и прочная эластичная паутина, похожая на струны пространства, которые мы рисовали, создавая модель электрического поля.
А теперь попробуйте двигаться не прямо вперед, а по кругу, например, поворачивая при ходьбе налево, при этом вращая рукой по часовой стрелке. Представьте себе, что вы движетесь через нечто, напоминающее желе. Из-за вращения вашей руки, внутри круга, по которому вы движетесь, «желе» будет смещаться вверх, образуя горб над центром круга. А под центром круга, образуется впадина из-за того, что часть желе сместилось вверх. Так можно представлять себе формирование северного (горб сверху) и южного (впадина снизу) полюсов при движении заряда по кольцу или его вращения.
Аналогично можно сформировать представление о магнитном поле движущегося отрицательного заряда. Только вращать рукой нужно в противоположную сторону – против часовой стрелки. Соответственно, магнитное поле будет направлено в противоположную сторону. Просто каждый раз следите за тем, в какой сторону ваша рука выталкивает «желе».
Такая модель наглядно демонстрирует то, почему северный полюс одного магнита притягивается к южному полюсу другого магнита: «горб» одного из магнитов втягивается во «впадину» второго магнита.
И еще эта модель показывает, почему не существуют отдельных северных и южных полюсов магнитов, как бы мы их не разрезали – магнитное поле представляет собой вихревую (замкнутую) «деформацию пространства» вокруг траектории движущегося заряда.Спин
У электрона было обнаружено магнитное поле, такое, какое у него должно быть в том случае, если бы он был шариком, вращающимся вокруг своей оси. Это магнитное поле назвали спином (от английского to spin — вращаться).
Кроме того, у электрона существует еще и орбитальный магнитный момент. Ведь электрон не только «вращается», но движется по орбите вокруг ядра атома. А движение заряженного тела порождает магнитное поле. Так как электрон заряжен отрицательно, магнитное поле, вызванное его движением по орбите, будет выглядеть так:
Если направление магнитного поля, вызванного движением электрона по орбите, совпадает с направлением магнитного поля самого электрона (его спином), эти поля складываются и усиливаются. Если же эти магнитные поля направлены в разные стороны, они вычитаются и ослабляют друг друга.Эта статья — отрывок из книги об азах химии. Сама книга здесь:
sites.google.com/site/kontrudar13/himia
UPD: Материал предназначен, в первую очередь, для школьников средних классов.
Физика Магнитное поле
Материалы к уроку
Конспект урока
Первые сведения о магнитах были получены более двух с половиной тысяч лет назад. Еще в шестом веке древнекитайскими учеными были обнаружены минералы, которые способны притягивать к себе железо. Первенство открытия компаса так же принадлежит им. Одна из версий происхождения слова «магнит» состоит в том, что слово произошло от названия региона Магнесия в Малой Азии, где в древности были открыты залежи магнитного железняка. Нам уже известно, что вокруг магнита существует невидимое магнитное поле, которое можно обнаружить только по тому действию, которое оно оказывает. Например, по отклонению стрелки компаса.
С этим опытом мы знакомились в курсе физики 8 класса. Тогда же Ампером было предложена идея, что в веществах за счет движения электронов по орбитам, возникают малые кольцевые токи. В постоянных магнитах, они все одинаково направлены. Магнитные поля, создаваемые вокруг них, усиливают друг друга, создавая значительное поле внутри и вокруг магнита. Таким образом, под магнитным полем понимают – силовое поле, которое возникает вокруг движущихся заряженных частиц.Вспомним, какими свойствами обладает магнитное поле тока:
1. Оно порождается только движущимися зарядами, например, током.
2. Магнитное поле невидимо, но материально. Обнаружить его можно только по тому действию, которое оно оказывает.
3. Магнитное поле можно обнаружить по его действию на магнитную стрелку и на другие движущиеся заряженные тела (например, другой проводник с током). Наглядно представить магнитное поле можно с помощью магнитных линий. Магнитные линии – это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле.
Проведем опыт.
Поместим прямой или полосовой, как его иногда называют, постоянный магнит под лист бумаги. Насыпаем на лист железные опилки. Распределим железные опилки на поверхности бумаги равномерно. Мы видим, что железные опилки в магнитном поле будут вести себя как намагниченная стрелка. Они располагаются вдоль линий магнитного поля. У полюсов заметно, что магнитное поле действует не только в плоскости, но и пространстве. Магнитные опилки располагаются в этой области даже перпендикулярно поверхности бумаги. Они, как бы, пытаются подняться вверх, но сила тяжести, действующая на них, не позволяет этого сделать. Аналогичным образом можно продемонстрировать магнитное поле прямого проводника с током.
Отметим особенности магнитных линий:
1. Магнитные линии можно провести через любую точку пространства.
2. Они замкнуты и не пересекаются. Средняя линия идет бесконечно.
3. Магнитная линия проводится так, чтобы касательная в каждой точке линии, совпадала с осью магнитной стрелки, помещенной в эту точку.
4. За направление магнитной линии принято направление северного полюса стрелок компаса, расположенных вдоль этой линии
5. Более сильное магнитное поле отображается большей концентрацией линий.
Аналогичное расположение магнитных линий можно наблюдать у соленоида (проволочной катушки с током). А как изобразить линии магнитного поля, если они направлены перпендикулярно к нам, и как, в таком случае, указать их направление? Для этого пользуются правилом стрелы. Предположим, что линии магнитного поля направлены к нам, то мы видим наконечник стрелы, тогда на рисунке линию изобразим в виде точки. Если линии магнитного поля направлены от нас, то мы видим оперение стрелы, тогда на рисунке линию изобразим в виде креста. Различают однородное и неоднородное магнитное поле. В неоднородном поле линии искривлены, густота их меняется. Например, поле вокруг прямолинейного проводника с током. В однородном поле линии параллельны друг другу и густота их одинакова. Например, внутри центральной части полосового магнита.
Остались вопросы по теме? Наши педагоги готовы помочь!
Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ
Выбрать педагогаОставить заявку на подбор
6.3: Определение магнитного поля
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 5447
- Джереми Татум
- Университет Виктории
Мы собираемся определить величину и направление магнитного поля исключительно по его влиянию на электрический ток, без ссылки на магниты или магниты.
Мы уже отмечали, что если электрический ток течет по проводу во внешнем магнитном поле, на него действует сила, направленная под прямым углом к проводу.
Я хочу, чтобы вы представили, что в этой комнате есть магнитное поле, возникающее, возможно, из какого-то источника вне комнаты. Это не требует большого воображения, ибо уже — это такое магнитное поле, а именно магнитное поле Земли. Я скажу вам, что поле внутри комнаты однородно, но ничего не скажу ни о его величине, ни о его направлении.
У вас есть прямой провод, по которому можно пропустить ток. Вы заметите, что на провод действует сила. Возможно, мы можем определить направление поля как направление этой силы. Но это совсем не годится, потому что сила всегда направлена под прямым углом к проволоке, какой бы она ни была! Заметим, однако, что величина силы зависит от ориентации провода; и есть одна уникальная ориентация проволоки, в которой она не испытывает силы вообще .
Поскольку эта ориентация уникальна, мы решили определить направление магнитного поля как параллельное проводу, когда ориентация провода такова, что на него не действует сила.
Это оставляет двойную двусмысленность, так как даже с уникальной ориентацией провода мы можем заставить ток течь в одном или в противоположном направлении. Нам еще предстоит разрешить эту двусмысленность. Наберитесь терпения еще на несколько строк.
Перемещая наш провод в магнитном поле из одной ориентации в другую, мы замечаем, что хотя направление силы, действующей на него, всегда перпендикулярно проводу, величина силы зависит от ориентация проволоки, равная нулю (по определению), когда она параллельна полю, и наибольшая, когда она перпендикулярна ему.
Определение. Напряженность \(B\) (также называемая плотностью потока, или напряженностью поля, или просто «полем») магнитного поля равна максимальной силе, действующей на единицу длины на единицу тока (эта максимальная сила возникает, когда ток поле находятся под прямым углом друг к другу).
9{-1}.\]
Определение. Если максимальная сила на единицу длины при токе в 1 ампер (эта максимальная сила возникает, конечно, когда ток и поле перпендикулярны) составляет 1 Н·м -1 , то напряженность поля составляет 1 тесла ( Т).
По определению, тогда, когда проволока параллельна полю, сила на ней равна нулю; и, когда он перпендикулярен полю, сила на единицу длины составляет \(IB\) ньютонов на метр.
Будет обнаружено, что, когда угол между током и полем равен \(\theta\), сила на единицу длины, \(F’\), равна
\[F’=IB\sin \theta .\]
В векторной записи это можно записать как
\[\textbf{F}’=\textbf{I}\times \textbf{B}, \label{6.3.2}\]
где при выборе записи \(\textbf{I}\times \textbf{B}\) вместо \(\textbf{F}’=\textbf{B}\ раз \textbf{I}\) мы устранили двойную двусмысленность в нашем определении направления \(\textbf{B}\). Уравнение \ref{6.3.2} выражает «правило правой руки» для определения отношения между направлениями тока, поля и силы.
Эта страница под названием 6.3: Определение магнитного поля распространяется под лицензией CC BY-NC 4.0 и была создана, изменена и/или курирована Джереми Татумом с помощью исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами платформы LibreTexts. ; подробная история редактирования доступна по запросу.
- Наверх
- Была ли эта статья полезной?
- Тип изделия
- Раздел или Страница
- Автор
- Джереми Татум
- Лицензия
- CC BY-NC
- Версия лицензии
- 4,0
- Показать оглавление
- нет
- Теги
- Магнитное поле
- правило правой руки
- источник@http://orca.
phys.uvic.ca/~tatum/elmag.html
phys.uvic.ca/~tatum/elmag.htmlэлектромагнетизм — Что такое определение магнита или магнитного поля?
спросил
Изменено 1 год, 11 месяцев назад
Просмотрено 220 раз
$\begingroup$Электрические силы — это силы, возникающие между двумя типами зарядов, положительными и отрицательными. Гравитационные силы — это силы между материей. Ядерные силы — это силы, которые действуют в атомном масштабе и являются квантово-механическими силами, они действуют между нуклонами.
А магнитные силы — это силы между магнитами? Я чувствовал, что это определение недостаточно конкретное, поэтому я искал определение магнита.
«Магнит — это материал или объект, создающий магнитное поле» Итак, что такое магнитное поле?
«Магнитное поле — это векторное поле, описывающее магнитное воздействие на магнитные материалы».
Я чувствую, что это петля.
Извините, но я не удовлетворен и чувствую, что есть более фундаментальное определение магнитного поля или магнита, о котором я не знаю. Итак, что такое магнит?
- электромагнетизм
- магнитные поля
Электрические и магнитные силы тесно переплетены.
Мы можем использовать силу Лоренца, действующую на заряд $q$ $$\mathbf{F} = q(\mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B})$$ определить электромагнитное поле. Сила состоит из двух частей:
- Первая часть ($q\mathbf{E}$) этой силы не зависит от скорости заряда. Мы называем это электрическим сила, а собственно это отношение служит определением электрического поля $\mathbf{E}$.
- Вторая часть ($q\mathbf{v}\times\mathbf{B}$) этой силы
пропорциональна скорости заряда.
Мы называем это магнитной силой, и на самом деле это соотношение
служит определением магнитного поля $\mathbf{B}$.
Еще поучительнее посмотреть на силу между двумя зарядами $q_1$ и $q_2$ (движущиеся со скоростями $\mathbf{v}_1$ и $\mathbf{v}_2$, разделенные расстоянием $\mathbf{r}$). Пренебрегая эффектами замедления из-за конечной скорости света, эта сила равна: 92}\mathbf{v}_1\times(\mathbf{v}_2\times\hat{\mathbf{r}}) \end{выравнивание}$$ Здесь снова сила состоит из двух частей:
- Первая часть этой силы не зависит от скорости двух зарядов. Это хорошо известная электрическая сила, описанная законом Кулона. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.
- Вторая часть этой силы пропорциональна скоростям $\mathbf{v}_1$ и $\mathbf{v}_2$ двух зарядов. Мы можем назвать это магнитной силой между зарядами. Для параллельных $q_1\mathbf{v}_1$ и $q_2\mathbf{v}_2$ заряды притягиваются, а для антипараллельных $q_1\mathbf{v}_1$ и $q_2\mathbf{v}_2$ они отталкивают друг друга.
Следовательно, суть вышеизложенного такова:
Электрические силы возникают между зарядами,
независимо от того, покоятся эти заряды или движутся.
Магнитные силы возникают между зарядами,
когда оба заряда движутся.
Итак, вместо неудовлетворительных определений
«Магнит — это материал или объект, создающий магнитное поле»
«Магнитное поле — это векторное поле, описывающее магнитное воздействие на магнитные материалы»
мы можем придумать более точное определение, например:
Магнит — это материал или объект с множеством зарядов, движущихся с одинаковыми
скоростей или вращающихся вокруг одной и той же оси вращения».
Магнитное поле — это векторное поле, описывающее зависящее от скорости воздействие на движущиеся заряды.
Электрические силы — это силы, возникающие между двумя типами зарядов, положительными и отрицательными.
Гравитационные силы – это силы между материей.
Ядерные силы — это силы, действующие в атомном масштабе и являющиеся квантово-механическими силами, они действуют между нуклонами.
Чтобы закончить ваш список, магнитные силы — это силы между выровненными магнитными диполями субатомных частиц.
«Магнит — это материал или объект, создающий магнитное поле» Что такое магнитное поле? «Магнитное поле — это векторное поле, описывающее магнитное влияние на магнитные материалы». Я чувствую, что это петля.
Магнитные поля получают двумя способами:
- в постоянном магните часть его частиц (электроны, протоны, нейтроны) ориентируется и выдерживает определенную температуру Кюри этого материала
- ускоренных (круговых или линейно ускоренных) электрона также ориентируются на свои магнитные диполи и реализуют общее магнитное поле.
Кстати, магнитные моменты электрона и других атомных частиц собственные (постоянные, не зависящие от внешних обстоятельств). И вы получите проницательное представление о магнетизме и электромагнитной индукции, если сопоставите все эти явления с тем фактом, что электроны представляют собой не только заряд, но и магнитные диполи.
Очень хорошее объяснение того, как движущиеся электрические заряды создают то, что мы называем магнитным полем, дается в этой статье «Магнетизм, излучение и относительность», дополнительных примечаниях к вводному курсу физики, основанному на исчислении, Дэниела В. Шредера. , Государственный университет Вебера (http://physics.weber.edu/schroeder/ [email protected]).
Я годами пытался понять эту тему и не добился реального прогресса, пока не прочитал эту статью. Основная идея Шредера состоит в том, что движущиеся заряды воздействуют особыми силами на заряды, которые не движутся, и мы для удобства называем эти особые силы «магнетизмом». Я рекомендую вам взглянуть на статью и сообщить нам, если это поможет.
$\endgroup$ 1 $\begingroup$Просто общий комментарий к
«Магнит — это материал или объект, создающий магнитное поле» Что такое магнитное поле? «Магнитное поле — это векторное поле, описывающее магнитное влияние на магнитные материалы».
Я чувствую, что это петля.Такой образ мышления причинит вам много горя. Человеческая проницательность, и особенно физика, полна подобных циклических утверждений. Дело в том, что на самом деле это не чисто математическое/логическое утверждение. Логика связана с опытом на примере. Дети очень хорошо знают, как учиться на примере, но по мере взросления мы иногда/до некоторой степени теряем эту способность и начинаем быть одержимыми словами и логикой.
На самом деле довольно просто разрешить цикличность определения. Возьмите в правую руку один кусочек магнетита, найденный кем-то, скажем, в Боливии. Возьмите еще один кусочек магнетита в левую руку и посмотрите/почувствуйте, как он притягивает/отталкивает первый и какую роль играет ориентация. Назовите кристалл магнетита «постоянным магнитом». Возьмите кусок железа и посмотрите, как он притягивается/отталкивается магнетитом, но ориентация железа не имеет значения. Назовите железо «наведенным магнитом». Определите ориентировочные метки постоянного магнита как «полюса магнита».
