Магнитные линии – направление, значение в схеме
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 196.
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 196.
Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся частицы, обладающие электрическим зарядом. Для наглядности магнитное поле изображают в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Какой вид имеют эти линии, где они начинаются и где кончаются – ответы на эти вопросы читайте ниже.
Немного из истории магнетизма
Исследование явления магнетизма началось много веков назад, когда еще в VI в. до н.э. в древнем Китае были обнаружен камни (горная порода), которые притягивали к себе железные предметы. В 1269 г. французский исследователь Петр Перегрин разместил на поверхности постоянного сферического магнита маленькие стальные иголки и увидел, что они расположились не хаотично, а по определенным линиям, которые пересекались в двух точках, названных “полюсами” по аналогии с географическими полюсами Земли.
Только в 1845 г. английский физик Майкл Фарадей для понимания сути магнитных явлений сформулировал понятие “магнитного поля”. Он считал, что как электрическое, так и магнитное взаимодействия осуществляются посредством невидимых полей — электрического и магнитного. Магнитное поле непрерывно в пространстве и способно действовать на движущиеся заряды.
В 1831 г. Майкл Фарадей обнаружил, что переменное магнитное поле порождает электрическое и наоборот — непостоянное (изменяющееся во времени) электрическое поле создает магнитное поле. Это явление стало известно как закон электромагнитной индукции Фарадея. Слово индукция латинского происхождения (induction) означает “наведение, выведение”.
Основные признаки и свойства магнитных линий
Магнитное поле существует вокруг постоянных магнитов (полосовых, дугообразных или иной формы) и вокруг металлического провода, по которому течет электрический ток.
Магнитное поле изображается в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукция — это некая геометрическая кривая, в любой точке которой вектор (направление) магнитной индукции направлен по касательной к ней.
Можно выделить основные свойства магнитных линий:
- Магнитные линии непрерывны;
- Магнитные линии всегда замкнуты. Это означает, что в природе не существует отдельных магнитных зарядов по аналогии с электрическими зарядами. Исследователи долго пытались найти этот заряд с помощью уменьшения (дробления) размеров постоянных магнитов. Но даже самый микроскопический магнитик всегда имеет два полюса: северный и южный;
- Направление магнитных линий зависит от направления электрического тока;
- Густота (плотность) линий соответствует величине поля: чем гуще (плотнее) расположены линии, тем больше значение поля.
Магнитные линии полосового магнита
С помощью простого эксперимент можно продемонстрировать свойства магнитных линий.
Магнитные линии дугообразного магнита
По аналогичной схеме можно поставить эксперимент с дугообразным магнитом.
Рис. 2. Магнитные линии дугообразного магнита.Видно, что по всему магниту магнитные линии начинаются на северном полюсе и оканчиваются на южном.
Магнитные линии прямого провода с током
Используем такую же схему эксперимента для прямого провода, по которому течет электрический ток. В данном случае можно заменить прозрачную пластину на кусок картона или фанеры.
Рис.
3. Магнитные линии прямого провода с током.Видно, что опилки выстраиваются по концентрическим окружностям, показывая форму магнитных линий. При изменении направления тока опилки поворачиваются на 1800. Следовательно, направление магнитных линий в данном случае связано с направлением тока в проводнике.
Известно, что Земля — это огромный “полосовой” магнит. Благодаря этому, с помощью магнитной стрелки компаса мы можем ориентироваться в пространстве. Но надо иметь ввиду, что есть места с крупными залежами магнетитов (железных руд), которые создают сильное “фоновое” магнитное поле, которое поворачивает стрелку компаса вдоль своих магнитных линий. Одно из таких мест — Курская магнитная аномалия, расположенная в Курской области нашей страны.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что магнитное поле изображают в виде магнитных линий, которые: непрерывны, замкнуты, в постоянных магнитах магнитные линии выходят из северного полюса и заканчиваются в южном полюсе, направление магнитных линий прямого провода с электрическим током зависит от направления тока.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда — пройдите тест.
Пока никого нет. Будьте первым!
Оценка доклада
4.6
Средняя оценка: 4.6
Всего получено оценок: 196.
А какая ваша оценка?
Как изображают магнитное поле рисунках. Получение картины магнитного поля
Проведем в магнитном поле ряд непрерывных линий так, чтобы эти линии всюду совпадали с направлением силы поля (с направлением магнитной индукции). Полученная картина может служить изображением магнитного поля.
Если перемещать вдоль линии магнитного поля маленькую, свободно подвешенную компасную стрелку, то ее ось всюду будет совпадать с близлежащим участком линии. На одной из линий рис. 2.13 изображены компасные стрелки в четырех положениях.
Рис. 2.13. Магнитное поле стержневого магнита
Рис. 2.14. Магиитное поле прямолинейного проводника с током.
Сопоставьте с рис. 2.10
На рис. 2.13, 2.14 посредством линий изображены магнитные поля постоянного магнита и прямолинейного проводника с током. Стрелки на линиях показывают направление магнитного поля (то направление, которое указывал бы северный конец компасной стрелки).
Для того чтобы по рисунку можно было судить и о силе поля, условились проводить линии тем ближе одна к другой, чем сильнее поле.
Из рис. 2.13 видно, что самое сильное поле — непосредственно около полюсов магнита. Из рис. 2.14 видно, что поле тока сильнее всего около провода, а по мере удаления от него поле ослабевает.
В § 2.1 говорилось, что небольшие железные тела под влиянием магнита сами становятся магнитами (рис. 2.1, а).
Поэтому понятно, что если положить на доску постоянный магнит и посыпать доску железными опилками, то они расположатся так, как расположились бы маленькие компасные стрелки. Картины, получаемые посредством опилок, дают наглядное представление о поле.
На рис. 2.
15 изображено магнитное поле катушки. Если свернуть провод спиралью, намотав его как катушку, то одинаково направленные поля отдельных витков сложатся друг с другом, усиливая поле внутри катушки.
Направление магнитной линии совпадает с осью катушки, и поле достигает там наибольшей величины. Поле внутри катушки приблизительно однородно, т. е. сила поля остается приблизительно одинаковой в различных точках. Одинаковыми будут и расстояния между соседними магнитными линиями, имеющими наибольшую плотность внутри катушки.
Рис. 2.15. Картина магнитного поля катушки
Для исследования структуры магнитного поля используют метод спектров . Мелкие железные опилки, попадая в магнитное по-ле, намагничиваются и, взаимодействуя меж-ду собой, образуют цепочки, расположение которых позволяет судить о структуре маг-нитного поля.
В качестве примера применения метода спектров рассмотрим опыт с магнитным полем прямого проводника. Через тонкую пластинку из диэлектрика пропустим длин-ный прямой проводник, включенный в элек-трическую цепь.
На пластинку будем сыпать мелкие железные опилки, слегка постукивая по пластинке. Опилки соберутся вокруг про-водника в виде концентрических кругов раз-личного диаметра (рис. 6.10). При повто-рении опыта с другими проводниками при других значениях силы тока получим похо-жие картины, которые и называются маг-нитными спектрами.
Спектры можно изобразить на бумаге в виде линий магнитной индукции .
Для прямого проводника такое изобра-жение показано на рис. 6.11. В изображе-ниях магнитных спектров линии магнитной индукции показывают направление магнит-ной индукции в каждой точке. В каждой точке линии индукции касательная совпа-дает с вектором магнитной индукции.
Линии, касательные к которым в каждой точке показывают направление магнитной ин-дукции, называются линиями магнитной ин-дукции
Плотность линий магнитной индукции зависит от модуля магнитной индукции. Она больше там, где модуль больше, и наоборот. Направление линий магнитной индукции прямого проводника определяется по пра-вилу правого винта.
Спектры магнитных полей проводников другой формы имеют много общего.
Так, спектр магнитного поля кольца с током похож на два совмещенных спектра прямых проводников (рис. 6.12). Только плотность линий индукции в центре кольца больше (рис. 6.13).
Магнитный спектр катушки с большим количеством витков (соленоида) показан на рис. 6.14. На рисунке видно, что линии магнитной индукции такой катушки внут-ри параллельные и имеют одинаковую плотность. Это свидетельствует, что внутри длинной катушки магнитное поле однород-ное — во всех точках магнитная индукция одинакова (рис. 6.15). Линии магнитной индукции расходятся лишь за пределами катушки, где магнитное поле неоднород-ное.
Если сравнить спектры магнитных полей проводников с током различной формы, то можно заметить, что линии индукции всегда замкнутые или при дальнейшем продолже-нии могут замкнуться. Это свидетельствует об отсутствии магнитных зарядов. Такое поле называют вихревым. Вихревое поле не имеет потенциала.
Материал с сайта
На этой странице материал по темам:
Спектров магнитных полей гдз решебник
Какие физические процессы происходят при образовании магнитного спектра
Открытия в области магнитных полей
Доклад на тему магнитное поле и его графическое изображение
Спектры магнитных полей примеры
Вопросы по этому материалу:
Опыт Эрстеда 1820 г. О чем говорит отклонение магнитной стрелки при замыкании электрической цепи? Вокруг проводника с током существует магнитное поле. На него – то и реагирует магнитная стрелка. Источником магнитного поля являются движущиеся электрические заряды или токи.
Опыт Эрстеда 1820 г. О чем говорит тот факт, что магнитная стрелка повернулась на? Это означает, что направление тока в проводнике изменилось на противоположное.
Опыт Ампера 1820 г. Как объяснить тот факт, что проводники с током взаимодействуют между собой? Мы знаем, что магнитное поле действует на проводник с током.
Поэтому явление взаимодействия токов можно объяснить так: электрический ток в первом проводнике порождает магнитное поле, которое действует на второй ток и наоборот…
Единица силы тока Если по двум параллельным проводникам длиной 1 м, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга течет ток по 1 А, то они взаимодействуют с силой Н.
Единица силы тока 2 А Чему равна сила тока в проводниках, если они взаимодействуют с силой Н?
Что такое магнитное поле и каковы его свойства? 1.МП – это особая форма материи, которая существует независимо от нас и от наших знаний о нем. 2.МП порождается движущимися электрическими зарядами и обнаруживается по действию на движущиеся электрические заряды. 3.С удалением от источника МП оно ослабевает.
Свойства магнитных линий: 1.Магнитные линии – замкнутые кривые. О чем это говорит? Если Вы возьмете кусок магнита и разломите его на два кусочка, каждый кусочек опять будет иметь «северный» и «южный» полюс.
Если Вы вновь разломите получившийся кусочек на две части, каждая часть опять будет иметь «северный» и «южный» полюс. Неважно, как малы будут образовавшиеся кусочки магнитов – каждый кусочек всегда будет иметь «северный» и «южный» полюс. Невозможно добиться, чтобы образовался магнитный монополь («моно» означает один, монополь – один полюс). По крайней мере, такова современная точка зрения на данное явление. Это говорит о том, что в природе не существует магнитных зарядов. Магнитные полюса разделить нельзя.
2.Обнаружить магнитное поле можно по… А) по действию на любой проводник, Б) действию на проводник, по которому течет электрический ток, В) заряженный теннисный шарик, подвешенный на тонкой нерастяжимой нити, Г) на движущиеся электрические заряды. а) А и Б, б) А и В, в) Б и В, г) Б и Г.
7.Какие утверждения являются верными? А.В природе существуют электрические заряды.
Б.В природе существуют магнитные заряды. В.В природе не существует электрических зарядов. Г.В природе не существует магнитных зарядов. а) А и Б, б) А и В, в) А и Г, г) Б, В и Г.
10.Два параллельных проводника длиной по 1 м, расположенные на расстоянии 1 м друг от друга при протекании по ним электрического тока, притягиваются с силой Н. Это значит, что по проводникам текут токи… а) противоположных направлений по 1 А, б) одного направления по 1 А, в) противоположных направлений по 0,5 А, г) одного направления по 0,5 А.
23.Магнитная стрелка отклонится, если её разместить вблизи… А) вблизи потока электронов, Б) вблизи потока атомов водорода, В) вблизи потока отрицательных ионов, Г) вблизи потока положительных ионов, Д) вблизи потока ядер атома кислорода. а) все ответы верны, б) А, Б, В, и Г, в) Б, В, Г, г) Б, В, Г, Д
3.
На рисунке изображено сечение проводника с током в точке А, электрический ток входит перпендикулярно в плоскость рисунка. Какое из представленных в точке М направлений соответствует направлению вектора В индукции магнитного поля тока в этой точке? а) 1, б) 2, в) 3, 4)
Давайте вместе разбираться в том, что такое магнитное поле. Ведь многие люди живут в этом поле всю жизнь и даже не задумываются о нем. Пора это исправить!
Магнитное поле
Магнитное поле – особый вид материи. Оно проявляется в действии на движущиеся электрические заряды и тела, которые обладают собственным магнитным моментом (постоянные магниты).
Важно: на неподвижные заряды магнитное поле не действует! Создается магнитное поле также движущимися электрическими зарядами, либо изменяющимся во времени электрическим полем, либо магнитными моментами электронов в атомах. То есть любой провод, по которому течет ток, становится также и магнитом!
Тело, обладающее собственным магнитным полем.
У магнита есть полюса, называемые северным и южным. Обозначения «северный» и «южный» даны лишь для удобства (как «плюс» и «минус» в электричестве).
Магнитное поле изображается посредством силовых магнитных линий . Силовые линии непрерывны и замкнуты, а их направление всегда совпадает с направлением действия сил поля. Если вокруг постоянного магнита рассыпать металлическую стружку, частицы металла покажут наглядную картину силовых линий магнитного поля, выходящих из северного и входящих в южный полюс. Графическая характеристика магнитного поля — силовые линии.
Характеристики магнитного поля
Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция , магнитный поток и магнитная проницаемость . Но давайте обо всем по порядку.
Сразу отметим, что все единицы измерения приводятся в системе СИ .
Магнитная индукция B – векторная физическая величина, являющаяся основной силовой характеристикой магнитного поля.
Обозначается буквой B . Единица измерения магнитной индукции – Тесла (Тл ).
Магнитная индукция показывает, насколько сильно поле, определяя силу, с которой оно действует на заряд. Данная сила называется силой Лоренца .
Здесь q — заряд, v — его скорость в магнитном поле, B — индукция, F — сила Лоренца, с которой поле действует на заряд.
Ф – физическая величина, равная произведению магнитной индукции на площадь контура и косинус между вектором индукции и нормалью к плоскости контура, через который проходит поток. Магнитный поток — скалярная характеристика магнитного поля.
Можно сказать, что магнитный поток характеризует количество линий магнитной индукции, пронизывающих единицу площади. Магнитный поток измеряется в Веберах (Вб) .
Магнитная проницаемость – коэффициент, определяющий магнитные свойства среды. Одним из параметров, от которых зависит магнитная индукция поля, является магнитная проницаемость.
Наша планета на протяжении нескольких миллиардов лет является огромным магнитом. Индукция магнитного поля Земли изменяется в зависимости от координат. На экваторе она равна примерно 3,1 на 10 в минус пятой степени Тесла. К тому же существуют магнитные аномалии, где значение и направление поля существенно отличаются от соседних областей. Одни из самых крупных магнитных аномалий на планете — Курская и Бразильская магнитные аномалии .
Происхождение магнитного поля Земли до сих пор остается загадкой для ученых. Предполагается, что источником поля является жидкое металлическое ядро Земли. Ядро движется, значит, движется расплавленный железо-никелевый сплав, а движение заряженных частиц – это и есть электрический ток, порождающий магнитное поле. Проблема в том, что эта теория (геодинамо ) не объясняет того, как поле сохраняется устойчивым.
Земля – огромный магнитный диполь. Магнитные полюса не совпадают с географическими, хотя и находятся в непосредственной близости.
Более того, магнитные полюса Земли движутся. Их смещение регистрируется с 1885 года. Например, за последние сто лет магнитный полюс в Южном полушарии сместился почти на 900 километров и сейчас находится в Южном океане. Полюс арктического полушария движется через Северный Ледовитый океан к Восточно-Сибирской магнитной аномалии, скорость его передвижения (по данным 2004 года) составила около 60 километров в год. Сейчас наблюдается ускорение движения полюсов — в среднем скорость растет на 3 километра в год.
Каково значение магнитного поля Земли для нас? В первую очередь магнитное поле Земли защищает планету от космических лучей и солнечного ветра. Заряженные частицы из далекого космоса не падают прямо на землю, а отклоняются гигантским магнитом и движутся вдоль его силовых линий. Таким образом, все живое оказывается защищенным от пагубной радиации.
За историю Земли происходило несколько инверсий (смен) магнитных полюсов. Инверсия полюсов – это когда они меняются местами.
Последний раз это явление произошло около 800 тысяч лет назад, а всего геомагнитных инверсий в истории Земли было более 400. Некоторые ученые полагают, что с учетом наблюдающегося ускорения движения магнитных полюсов следующей инверсии полюсов следует ожидать в ближайшие пару тысяч лет.
К счастью, в нашем веке смены полюсов пока не ожидается. А значит, можно думать о приятном и наслаждаться жизнью в старом добром постоянном поле Земли, рассмотрев основные свойства и характеристики магнитного поля. А чтобы Вы могли это делать, существуют наши авторы, которым можно с уверенностью в успехе поручить часть учебных хлопот! и другие типы работ вы можете заказать по ссылке.
Темы кодификатора ЕГЭ : взаимодействие магнитов, магнитное поле проводника с током.Магнитные свойства вещества известны людям давно. Магниты получили своё название от античного города Магнесия: в его окрестностях был распространён минерал (названный впоследствии магнитным железняком или магнетитом), куски которого притягивали железные предметы.
Взаимодействие магнитов
На двух сторонах каждого магнита расположены северный полюс и южный полюс . Два магнита притягиваются друг к другу разноимёнными полюсами и отталкиваются одноимёнными. Магниты могут действовать друг на друга даже сквозь вакуум! Всё это напоминает взаимодействие электрических зарядов, однако взаимодействие магнитов не является электрическим . Об этом свидетельствуют следующие опытные факты.
Магнитная сила ослабевает при нагревании магнита. Сила же взаимодействия точечных зарядов не зависит от их температуры.
Магнитная сила ослабевает, если трясти магнит. Ничего подобного с электрически заряженными телами не происходит.
Положительные электрические заряды можно отделить от отрицательных (например, при электризации тел). А вот разделить полюса магнита не получается: если разрезать магнит на две части, то в месте разреза также возникают полюса, и магнит распадается на два магнита с разноимёнными полюсами на концах (ориентированных точно так же, как и полюса исходного магнита).
Таким образом, магниты всегда двухполюсные, они существуют только в виде диполей . Изолированных магнитных полюсов (так называемых магнитных монополей — аналогов электрического заряда)в при роде не существует (во всяком случае, экспериментально они пока не обнаружены). Это, пожалуй, самая впечатляющая асимметрия между электричеством и магнетизмом.
Как и электрически заряженные тела, магниты действуют на электрические заряды. Однако магнит действует только на движущийся заряд; если заряд покоится относительно магнита, то действия магнитной силы на заряд не наблюдается. Напротив, наэлектризованное тело действует на любой заряд,вне зависимости от того, покоится он или движется.
По современным представлениям теории близкодействия, взаимодействие магнитов осуществляется посредством магнитного поля .А именно, магнит создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, которое действует на другой магнит и вызывает видимое притяжение или отталкивание этих магнитов.
Примером магнита служит магнитная стрелка компаса. С помощью магнитной стрелки можно судить о наличии магнитного поля в данной области пространства, а также о направлении поля.
Наша планета Земля является гигантским магнитом. Неподалёку от северного географического полюса Земли расположен южный магнитный полюс. Поэтому северный конец стрелки компаса, поворачиваясь к южному магнитному полюсу Земли, указывает на географический север. Отсюда, собственно, и возникло название «северный полюс» магнита.
Линии магнитного поля
Электрическое поле, напомним, исследуется с помощью маленьких пробных зарядов, по действию на которые можно судить о величине и направлении поля. Аналогом пробного заряда в случае магнитного поля является маленькая магнитная стрелка.
Например, можно получить некоторое геометрическое представление о магнитном поле, если разместить в разных точках пространства очень маленькие стрелки компаса. Опыт показывает, что стрелки выстроятся вдоль определённых линий -так называемых линий магнитного поля .
Дадим определение этого понятия в виде следующих трёх пунктов.
1. Линии магнитного поля, или магнитные силовые линии — это направленные линии в пространстве, обладающие следующим свойством: маленькая стрелка компаса, помещённая в каждой точке такой линии, ориентируется по касательной к этой линии .
2. Направлением линии магнитного поля считается направление северных концов стрелок компаса, расположенных в точках данной линии .
3. Чем гуще идут линии, тем сильнее магнитное поле в данной области пространства .
Роль стрелок компаса с успехом могут выполнять железные опилки: в магнитном поле маленькие опилки намагничиваются и ведут себя в точности как магнитные стрелки.
Так, насыпав железных опилок вокруг постоянного магнита, мы увидим примерно следующую картину линий магнитного поля (рис. 1 ).
Рис. 1. Поле постоянного магнита
Северный полюс магнита обозначается синим цветом и буквой ; южный полюс — красным цветом и буквой . Обратите внимание, что линии поля выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс: ведь именно к южному полюсу магнита будет направлен северный конец стрелки компаса.
Опыт Эрстеда
Несмотря на то, что электрические и магнитные явления были известны людям ещё с античности, никакой взаимосвязи между ними долгое время не наблюдалось. В течение нескольких столетий исследования электричества и магнетизма шли параллельно и независимо друг от друга.
Тот замечательный факт, что электрические и магнитные явления на самом деле связаны друг с другом, был впервые обнаружен в 1820 году — в знаменитом опыте Эрстеда.
Схема опыта Эрстеда показана на рис. 2
(изображение с сайта rt.mipt.ru). Над магнитной стрелкой ( и — северный и южный полюсы стрелки) расположен металлический проводник, подключённый к источнику тока. Если замкнуть цепь, то стрелка поворачивается перпендикулярно проводнику!
Этот простой опыт прямо указал на взаимосвязь электричества и магнетизма. Эксперименты последовавшие за опытом Эрстеда, твёрдо установили следующую закономерность: магнитное поле порождается электрическими токами и действует на токи .
Рис.
2. Опыт Эрстеда
Картина линий магнитного поля, порождённого проводником с током, зависит от формы проводника.
Магнитное поле прямого провода с током
Линии магнитного поля прямолинейного провода с током являются концентрическими окружностями. Центры этих окружностей лежат на проводе, а их плоскости перпендикулярны проводу (рис. 3 ).
Рис. 3. Поле прямого провода с током
Для определения направления линий магнитного поля прямого тока существуют два альтернативных правила.
Правило часовой стрелки . Линии поля идут против часовой стрелки, если смотреть так, чтобы ток тёк на нас .
Правило винта (или правило буравчика , или правило штопора — это уж кому что ближе;-)). Линии поля идут туда, куда надо вращать винт (с обычной правой резьбой), чтобы он двигался по резьбе в направлении тока .
Пользуйтесь тем правилом, которое вам больше по душе. Лучше привыкнуть к правилу часовой стрелки — вы сами впоследствии убедитесь, что оно более универсально и им проще пользоваться (а потом с благодарностью вспомните его на первом курсе, когда будете изучать аналитическую геометрию).
На рис. 3 появилось и кое-что новое: это вектор , который называется индукцией магнитного поля , или магнитной индукцией . Вектор магнитной индукции является аналогом вектора напряжённости электрического поля: он служит силовой характеристикой магнитного поля, определяя силу, с которой магнитное поле действует на движущиеся заряды.
О силах в магнитном поле мы поговорим позже, а пока отметим лишь, что величина и направление магнитного поля определяется вектором магнитной индукции . В каждой точке пространства вектор направлен туда же,куда и северный конец стрелки компаса, помещённой в данную точку, а именно по касательной к линии поля в направлении этой линии. Измеряется магнитная индукция в теслах (Тл).
Как и в случае электрического поля, для индукции магнитного поля справедлив принцип суперпозиции . Он заключается в том, что индукции магнитных полей , создаваемых в данной точке различными токами, складываются векторно и дают результирующий вектор магнитной индукции: .
Магнитное поле витка с током
Рассмотрим круговой виток, по которому циркулирует постоянный ток . Источник,создающий ток, мы на рисунке не показываем.
Картина линий поля нашего витка будет иметь приблизительно следующий вид (рис. 4 ).
Рис. 4. Поле витка с током
Нам будет важно уметь определять, в какое полупространство (относительно плоскости витка) направлено магнитное поле. Снова имеем два альтернативных правила.
Правило часовой стрелки . Линии поля идут туда, глядя откуда ток кажется циркулирующим против часовой стрелки .
Правило винта . Линии поля идут туда, куда будет перемещаться винт (с обычной правой резьбой), если вращать его в направлении тока .
Как видите, ток и поле меняются ролями — по сравнению с формулировками этих правил для случая прямого тока.
Магнитное поле катушки с током
Катушка получится, если плотно, виток к витку, намотать провод в достаточно длинную спираль (рис.
5
— изображение с сайта en.wikipedia.org). В катушке может быть несколько десятков, сотен или даже тысяч витков. Катушка называется ещё соленоидом .
Рис. 5. Катушка (соленоид)
Магнитное поле одного витка, как мы знаем, выглядит не очень-то просто. Поля? отдельных витков катушки накладываются друг на друга, и, казалось бы, в результате должна получиться совсем уж запутанная картина. Однако это не так: поле длинной катушки имеет неожиданно простую структуру (рис. 6 ).
Рис. 6. поле катушки с током
На этом рисунке ток в катушке идёт против часовой стрелки, если смотреть слева (так будет, если на рис. 5 правый конец катушки подключить к «плюсу» источника тока, а левый конец — к «минусу»). Мы видим, что магнитное поле катушки обладает двумя характерными свойствами.
1. Внутри катушки вдали от её краёв магнитное поле является однородным : в каждой точке вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению. Линии поля — параллельные прямые; они искривляются лишь вблизи краёв катушки, когда выходят наружу.
2. Вне катушки поле близко к нулю. Чем больше витков в катушке — тем слабее поле снаружи неё.
Заметим, что бесконечно длинная катушка вообще не выпускает поле наружу: вне катушки магнитное поле отсутствует. Внутри такой катушки поле всюду является однородным.
Ничего не напоминает? Катушка является «магнитным» аналогом конденсатора. Вы же помните, что конденсатор создаёт внутри себя однородное электрическое поле, линии которого искривляются лишь вблизи краёв пластин, а вне конденсатора поле близко к нулю; конденсатор с бесконечными обкладками вообще не выпускает поле наружу, а всюду внутри него поле однородно.
А теперь — главное наблюдение. Сопоставьте, пожалуйста, картину линий магнитного поля вне катушки (рис. 6 ) с линиями поля магнита на рис. 1 . Одно и то же, не правда ли? И вот мы подходим к вопросу, который, вероятно, у вас уже давно возник: если магнитное поле порождается токами и действует на токи, то какова причина возникновения магнитного поля вблизи постоянного магнита? Ведь этот магнит вроде бы не является проводником с током!
Гипотеза Ампера.
Элементарные токиПоначалу думали, что взаимодействие магнитов объясняется особыми магнитными зарядами, сосредоточенными на полюсах. Но, в отличие от электричества, никто не мог изолировать магнитный заряд; ведь, как мы уже говорили, не удавалось получить по отдельности северный и южный полюс магнита — полюса всегда присутствуют в магните парами.
Сомнения насчёт магнитных зарядов усугубил опыт Эрстеда, когда выяснилось, что магнитное поле порождается электрическим током. Более того, оказалось, что для всякого магнита можно подобрать проводник с током соответствующей конфигурации, такой, что поле этого проводника совпадает с полем магнита.
Ампер выдвинул смелую гипотезу. Нет никаких магнитных зарядов. Действие магнита объясняется замкнутыми электрическими токами внутри него .
Что это за токи? Эти элементарные токи циркулируют внутри атомов и молекул; они связаны с движением электронов по атомным орбитам. Магнитное поле любого тела складывается из магнитных полей этих элементарных токов.
Элементарные токи могут быть беспорядочным образом расположены друг относительно друга. Тогда их поля взаимно погашаются, и тело не проявляет магнитных свойств.
Но если элементарные токи расположены согласованно,то их поля,складываясь,усиливают друг друга. Тело становится магнитом (рис. 7 ; магнитое поле будет направлено на нас; также на нас будет направлен и северный полюс магнита).
Рис. 7. Элементарные токи магнита
Гипотеза Ампера об элементарных токах прояснила свойства магнитов.Нагревание и тряска магнита разрушают порядок расположения его элементарных токов, и магнитные свойства ослабевают. Неразделимость полюсов магнита стала очевидной: в месте разреза магнита мы получаем те же элементарные токи на торцах. Способность тела намагничиваться в магнитном поле объясняется согласованным выстраиванием элементарных токов, «поворачивающихся» должным образом (о повороте кругового тока в магнитном поле читайте в следующем листке).
Гипотеза Ампера оказалась справедливой — это показало дальнейшее развитие физики. Представления об элементарных токах стали неотъемлемой частью теории атома, разработанной уже в ХХ веке — почти через сто лет после гениальной догадки Ампера.
Формулы ЕГЭ. Магнитное поле. Линии Силовые линии переменного магнитного поля
Все формулы взяты в строгом соответствии с Федеральным институтом педагогических измерений (ФИПИ)
3.3 МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
3.3.1 Механическое взаимодействие магнитов
Около электрического заряда образуется своеобразная форма материи — электрическое поле. Вокруг магнита существует подобная форма материи, но имеет другую природу происхождения (ведь руда электрически нейтральна), ее называют магнитным полем. Для изучения магнитного поля используют прямой или подковообразный магниты. Определенные места магнита обладают наибольшим притягивающим действием, их называют полюсами (северный и южный). Разноименные магнитные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются.
Магнитное поле. Вектор магнитной индукции
Для силовой характеристики магнитного поля используют вектор индукции магнитного поля B. Магнитное поле графически изображают при помощи силовых линий (линии магнитной индукции). Линии являются замкнутыми, не имеют ни начала, ни конца. Место, из которого выходят магнитные линии — северный полюс (North), входят магнитные линии в южный полюс (South).
Магнитная индукция B [Тл] — векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля.
Принцип суперпозиции магнитных полей — если магнитное поле в данной точке пространства создается несколькими источниками поля, то магнитная индукция — векторная сумма индукций каждого из полей в отдельности:
Линии магнитного поля. Картина линий поля полосового и подковообразного постоянных магнитов
3.3.2 Опыт Эрстеда. Магнитное поле проводника с током. Картина линий поля длинного прямого проводника и замкнутого кольцевого проводника, катушки с током
Магнитное поле существует не только вокруг магнита, но и любого проводника с током.
Опыт Эрстеда демонстрирует действие электрического тока на магнит. Если прямой проводник, по которому идёт ток, пропустить через отверстие в листе картона, на котором рассыпаны мелкие железные или стальные опилки, то они образуют концентрические окружности, центр которых располагается на оси проводника. Эти окружности представляют собой силовые линии магнитного поля проводника с током.
3.3.3 Сила Ампера, её направление и величина:
Сила Ампера — сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника с током, то есть силы Ампера.
где I — сила тока в проводнике;
B
L — длина проводника, находящегося в магнитном поле;
α — угол между вектором магнитного поля и направлением тока в проводнике.
3.3.4 Сила Лоренца, её направление и величина:
Так как электрический ток представляет собой упорядоченное движение зарядов, то действие магнитного поля на проводник с током есть результат его действия на отдельные движущиеся заряды. Силу, действующую со стороны магнитного поля на движущиеся в нем заряды, называют силой Лоренца. Сила Лоренца определяется соотношением:
где q — величина движущегося заряда;
V — модуль его скорости;
B — модуль вектора индукции магнитного поля;
α — угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции.
Обратите внимание, что сила Лоренца перпендикулярна скорости и поэтому она не совершает работы, не изменяет модуль скорости заряда и его кинетической энергии. Но направление скорости изменяется непрерывно.
Сила Лоренца перпендикулярна векторам В и v , и её направление определяется с помощью того же правила левой руки, что и направление силы Ампера: если левую руку расположить так, чтобы составляющая магнитной индукции В , перпендикулярная скорости заряда, входила в ладонь, а четыре пальца были направлены по движению положительного заряда (против движения отрицательного, например электрона), то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление действующей на заряд силы Лоренца Fл .
Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле
При движении заряженной частицы в магнитном поле сила Лоренца работы не совершает. Поэтому модуль вектора скорости при движении частицы не изменяется. Если заряженная частица движется в однородном магнитном поле под действием силы Лоренца, а ее скорость лежит в плоскости, перпендикулярной вектору то частица будет двигаться по окружности радиуса R.
Лекция: Опыт Эрстеда. Магнитное поле проводника с током. Картина линий поля длинного прямого проводника и замкнутого кольцевого проводника, катушки с током
Опыт Эрстеда
Магнитные свойства некоторых веществ известны людям достаточно давно. Однако не столь давним открытием стало то, что магнитные и электрические природы веществ связанны между собой. Эту связь показал Эрстед , проводивший опыты с электрическим током. Совершенно случайно рядом с проводником, по которому бежал ток, находится магнит. Он достаточно резко менял свое направление в то время, когда ток бежал по проводам, и становился в исходное положение, когда ключ схемы был разомкнут.
С данного опыта был сделан вывод, что вокруг проводника, по которому бежит ток, образуется магнитное поле. То есть можно сделать вывод: электрическое поле вызывается всеми зарядами, а магнитное — только вокруг зарядов, которые имеют направленное движение.
Магнитное поле проводника
Если рассматривать поперечное сечение проводника с током, то его магнитные линии будут иметь окружности различного диаметра вокруг проводника.
Чтобы определить направление тока или линий магнитного поля вокруг проводника, следует воспользоваться правилом правого винта :
Если правой рукой обхватить проводник и направить большой палец вдоль него по направлению тока, то согнутые пальцы покажут направление линий магнитного поля.
Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция. Иногда линии магнитного поля называют линиями индукции.
Индукция обозначается и измеряется следующим образом: [В] = 1 Тл .
Как Вы можете вспомнить, для силовой характеристики электрического поля был справедлив принцип суперпозиций, то же самое можно сказать и для магнитного поля.
То есть результирующая индукция поля равна сумме векторов индукции в каждой точке.
Виток с током
Как известно, проводники могут иметь различную форму, в том числе состоять из нескольких витков. Вокруг такого проводника также образуется магнитное поле. Для его определения следует воспользоваться правилом Буравчика :
Если рукой обхватить витки так, чтобы 4 согнутых пальца их обхватывали, то большой палец покажет направление магнитного поля.
Подобно тому, как покоящийся электрический заряд действует на другой заряд посредством электрического поля, электрический ток действует на другой ток посредством магнитного поля . Действие магнитного поля на постоянные магниты сводится к действию его на заряды, движущиеся в атомах вещества и создающие микроскопические круговые токи.
Учение об электромагнетизме основано на двух положениях:
- магнитное поле действует на движущиеся заряды и токи;
- магнитное поле возникает вокруг токов и движущихся зарядов.
Взаимодействие магнитов
Постоянный магнит (или магнитная стрелка) ориентируется вдоль магнитного меридиана Земли. Тот его конец, который указывает на север, называется северным полюсом (N), а противоположный конец — южным полюсом (S). Приближая два магнита друг к другу, заметим, что одноименные их полюсы отталкиваются, а разноименные — притягиваются (рис. 1 ).
Если разделить полюса, разрезав постоянный магнит на две части, то мы обнаружим, что каждая из них тоже будет иметь два полюса , т. е. будет постоянным магнитом (рис. 2 ). Оба полюса — северный и южный, — неотделимые друг от друга, равноправны.
Магнитное поле, создаваемое Землей или постоянными магнитами, изображается, подобно электрическому полю, магнитными силовыми линиями. Картину силовых линий магнитного поля какого-либо магнита можно получить, помещая над ним лист бумаги, на котором насыпаны равномерным слоем железные опилки. Попадая в магнитное поле, опилки намагничиваются — у каждой из них появляется северный и южный полюсы.
Противоположные полюсы стремятся сблизиться друг с другом, но этому мешает трение опилок о бумагу. Если постучать по бумаге пальцем, трение уменьшится и опилки притянутся друг к другу, образуя цепочки, изображающие линии магнитного поля.
На рис. 3 показано расположение в поле прямого магнита опилок и маленьких магнитных стрелок, указывающих направление линий магнитного поля. За это направление принято направление северного полюса магнитной стрелки.
Опыт Эрстэда. Магнитное поле тока
В начале XIX в. датский ученый Эрстэд сделал важное открытие, обнаружив действие электрического тока на постоянные магниты . Он поместил длинный провод вблизи магнитной стрелки. При пропускании по проводу тока стрелка поворачивалась, стремясь расположиться перпендикулярно ему (рис. 4 ). Это можно было объяснить возникновением вокруг проводника магнитного поля.
Магнитные силовые линии поля, созданного прямым проводником с током, представляют собой концентрические окружности, расположенные в перпендикулярной к нему плоскости, с центрами в точке, через которую проходит ток (рис.
5 ). Направление линий определяется правилом правого винта:
Если винт вращать по направлению линий поля, он будет двигаться в направлении тока в проводнике .
Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции B . В каждой точке он направлен по касательной к линии поля. Линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных, а сила, действующая в этом поле на заряд, направлена по касательной к линии в каждой ее точке. В отличие от электрического, линии магнитного поля замкнуты, что связано с отсутствием в природе «магнитных зарядов».
Магнитное поле тока принципиально ничем не отличается от поля, созданного постоянным магнитом. В этом смысле аналогом плоского магнита является длинный соленоид — катушка из провода, длина которой значительно больше ее диаметра. Схема линий созданного им магнитного поля, изображенная на рис. 6 , аналогична таковой для плоского магнита (рис.
3 ). Кружочками обозначены сечения провода, образующего обмотку соленоида. Токи, текущие по проводу от наблюдателя, обозначены крестиками, а токи противоположного направления — к наблюдателю — обозначены точками. Такие же обозначения приняты и для линий магнитного поля, когда они перпендикулярны плоскости чертежа (рис. 7 а, б).
Направление тока в обмотке соленоида и направление линий магнитного поля внутри него также связаны правилом правого винта, которое в этом случае формулируется так:
Если смотреть вдоль оси соленоида, то текущий по направлению часовой стрелки ток создает в нем магнитное поле, направление которого совпадает с направлением движения правого винта (рис. 8 )
Исходя из этого правила, легко сообразить, что у соленоида, изображенного на рис. 6 , северным полюсом служит правый его конец, а южным — левый.
Магнитное поле внутри соленоида является однородным — вектор магнитной индукции имеет там постоянное значение (B = const).
В этом отношении соленоид подобен плоскому конденсатору, внутри которого создается однородное электрическое поле.
Сила, действующая в магнитном поле на проводник с током
Опытным путем было установлено, что на проводник с током в магнитном поле действует сила. В однородном поле прямолинейный проводник длиной l, по которому течет ток I, расположенный перпендикулярно вектору поля B, испытывает действие силы: F = I l B .
Направление силы определяется правилом левой руки :
Если четыре вытянутых пальца левой руки расположить по направлению тока в проводнике, а ладонь — перпендикулярно вектору B, то отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник (рис. 9 ).
Следует отметить, что сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, направлена не по касательной к его силовым линиям, подобно электрической силе, а перпендикулярна им. На проводник, расположенный вдоль силовых линий, магнитная сила не действует.
Уравнение F = IlB позволяет дать количественную характеристику индукции магнитного поля.
Отношение не зависит от свойств проводника и характеризует само магнитное поле.
Модуль вектора магнитной индукции B численно равен силе, действующей на расположенный перпендикулярно к нему проводник единичной длины, по которому течет ток силой один ампер.
В системе СИ единицей индукции магнитного поля служит тесла (Тл):
Магнитное поле. Таблицы, схемы, формулы
(Взаимодействие магнитов, опыт Эрстеда, вектор магнитной индукции, направление вектора, принцип суперпозиции. Графическое изображение магнитных полей, линии магнитной индукции. Магнитный поток, энергетическая характеристика поля. Магнитные силы, сила Ампера, сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле. Магнитные свойства вещества, гипотеза Ампера)
Давайте вместе разбираться в том, что такое магнитное поле. Ведь многие люди живут в этом поле всю жизнь и даже не задумываются о нем.
Пора это исправить!
Магнитное поле
Магнитное поле – особый вид материи. Оно проявляется в действии на движущиеся электрические заряды и тела, которые обладают собственным магнитным моментом (постоянные магниты).
Важно: на неподвижные заряды магнитное поле не действует! Создается магнитное поле также движущимися электрическими зарядами, либо изменяющимся во времени электрическим полем, либо магнитными моментами электронов в атомах. То есть любой провод, по которому течет ток, становится также и магнитом!
Тело, обладающее собственным магнитным полем.
У магнита есть полюса, называемые северным и южным. Обозначения «северный» и «южный» даны лишь для удобства (как «плюс» и «минус» в электричестве).
Магнитное поле изображается посредством силовых магнитных линий . Силовые линии непрерывны и замкнуты, а их направление всегда совпадает с направлением действия сил поля.
Если вокруг постоянного магнита рассыпать металлическую стружку, частицы металла покажут наглядную картину силовых линий магнитного поля, выходящих из северного и входящих в южный полюс. Графическая характеристика магнитного поля — силовые линии.
Характеристики магнитного поля
Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция , магнитный поток и магнитная проницаемость . Но давайте обо всем по порядку.
Сразу отметим, что все единицы измерения приводятся в системе СИ .
Магнитная индукция B – векторная физическая величина, являющаяся основной силовой характеристикой магнитного поля. Обозначается буквой B . Единица измерения магнитной индукции – Тесла (Тл ).
Магнитная индукция показывает, насколько сильно поле, определяя силу, с которой оно действует на заряд. Данная сила называется силой Лоренца .
Здесь q — заряд, v — его скорость в магнитном поле, B — индукция, F — сила Лоренца, с которой поле действует на заряд.
Ф – физическая величина, равная произведению магнитной индукции на площадь контура и косинус между вектором индукции и нормалью к плоскости контура, через который проходит поток. Магнитный поток — скалярная характеристика магнитного поля.
Можно сказать, что магнитный поток характеризует количество линий магнитной индукции, пронизывающих единицу площади. Магнитный поток измеряется в Веберах (Вб) .
Магнитная проницаемость – коэффициент, определяющий магнитные свойства среды. Одним из параметров, от которых зависит магнитная индукция поля, является магнитная проницаемость.
Наша планета на протяжении нескольких миллиардов лет является огромным магнитом. Индукция магнитного поля Земли изменяется в зависимости от координат. На экваторе она равна примерно 3,1 на 10 в минус пятой степени Тесла. К тому же существуют магнитные аномалии, где значение и направление поля существенно отличаются от соседних областей. Одни из самых крупных магнитных аномалий на планете — Курская и Бразильская магнитные аномалии .
Происхождение магнитного поля Земли до сих пор остается загадкой для ученых. Предполагается, что источником поля является жидкое металлическое ядро Земли. Ядро движется, значит, движется расплавленный железо-никелевый сплав, а движение заряженных частиц – это и есть электрический ток, порождающий магнитное поле. Проблема в том, что эта теория (геодинамо ) не объясняет того, как поле сохраняется устойчивым.
Земля – огромный магнитный диполь. Магнитные полюса не совпадают с географическими, хотя и находятся в непосредственной близости. Более того, магнитные полюса Земли движутся. Их смещение регистрируется с 1885 года. Например, за последние сто лет магнитный полюс в Южном полушарии сместился почти на 900 километров и сейчас находится в Южном океане. Полюс арктического полушария движется через Северный Ледовитый океан к Восточно-Сибирской магнитной аномалии, скорость его передвижения (по данным 2004 года) составила около 60 километров в год. Сейчас наблюдается ускорение движения полюсов — в среднем скорость растет на 3 километра в год.
Каково значение магнитного поля Земли для нас? В первую очередь магнитное поле Земли защищает планету от космических лучей и солнечного ветра. Заряженные частицы из далекого космоса не падают прямо на землю, а отклоняются гигантским магнитом и движутся вдоль его силовых линий. Таким образом, все живое оказывается защищенным от пагубной радиации.
За историю Земли происходило несколько инверсий (смен) магнитных полюсов. Инверсия полюсов – это когда они меняются местами. Последний раз это явление произошло около 800 тысяч лет назад, а всего геомагнитных инверсий в истории Земли было более 400. Некоторые ученые полагают, что с учетом наблюдающегося ускорения движения магнитных полюсов следующей инверсии полюсов следует ожидать в ближайшие пару тысяч лет.
К счастью, в нашем веке смены полюсов пока не ожидается. А значит, можно думать о приятном и наслаждаться жизнью в старом добром постоянном поле Земли, рассмотрев основные свойства и характеристики магнитного поля.
А чтобы Вы могли это делать, существуют наши авторы, которым можно с уверенностью в успехе поручить часть учебных хлопот! и другие типы работ вы можете заказать по ссылке.
«Определение магнитного поля» — По данным, полученным в ходе экспериментов, заполним таблицу. Ж. Верн. Когда мы подносим к магнитной стрелке магнит, она поворачивается. Графическое изображение магнитных полей. Ханс Кристиан Эрстед. Электрическое поле. Магнит имеет два полюса: северный и южный. Этап обобщения и систематизации знаний.
«Магнитное поле и его графическое изображение» — Неоднородное магнитное поле. Катушки с током. Магнитные линии. Гипотеза Ампера. Внутри полосового магнита. Разноименные магнитные полюса. Полярное сияние. Магнитное поле постоянного магнита. Магнитное поле. Земное магнитное поле. Магнитные полюсы. Биометрология. Концентрические окружности. Однородное магнитное поле.
«Энергия магнитного поля» — Скалярная величина. Расчёт индуктивности. Постоянные магнитные поля. Время релаксации.
Определение индуктивности. Энергия катушки. Экстратоки в цепи с индуктивностью. Переходные процессы. Плотность энергии. Электродинамика. Колебательный контур. Импульсное магнитное поле. Самоиндукция. Плотность энергии магнитного поля.
«Характеристики магнитного поля» — Линии магнитной индукции. Правило Буравчика. Поворачиваются вдоль силовых линий. Компьютерная модель магнитного поля Земли. Магнитная постоянная. Магнитная индукция. Число носителей заряда. Три способа задать вектор магнитной индукции. Магнитное поле электрического тока. Ученый-физик Уильям Гильберт.
«Свойства магнитного поля» — Вид вещества. Магнитная индукция магнитного поля. Магнитная индукция. Постоянный магнит. Некоторые значения магнитной индукции. Магнитная стрелка. Громкоговоритель. Модуль вектора магнитной индукции. Линии магнитной индукции всегда замкнуты. Взаимодействие токов. Вращающий момент. Магнитные свойства вещества.
«Движение частиц в магнитном поле» — Спектрограф. Проявление действия силы Лоренца.
Сила Лоренца. Циклотрон. Определение величины силы Лоренца. Контрольные вопросы. Направления силы Лоренца. Межзвёздное вещество. Задача эксперимента. Изменение параметров. Магнитное поле. Масс-спектрограф. Движение частиц в магнитном поле. Электронно-лучевая трубка.
Всего в теме 20 презентаций
Магнитное поле и его графическое изображение
В восьмом классе мы с вами затрагивали тему магнитных полей. Тогда мы говорили о том, что магнитное поле порождается электрическим током. Подобно другим физическим полям, магнитное поле не действует на наши органы чувств. Но реальность его существования проявляется, например, в том, что между проводниками с током возникают силы взаимодействия, которые принято называть магнитными силами.
То, что между электричеством и магнетизмом существует связь,
можно показать с помощью опыта, проведённого в тысяча восемьсот двадцатом году
датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом. Установка состоит из магнитной
стрелки, укреплённой на острие, и проводника, соединённого с источником тока.
До включения тока стрелка располагается в магнитном поле Земли, ориентируясь с
севера на юг. Проводник располагают над магнитной стрелкой, параллельно ей.
Замкнув цепь, мы увидим, как магнитная стрелка начнёт поворачиваться, пока не
установится перпендикулярно проводнику с током. Разомкнём цепь — стрелка
возвращается в своё исходное положение.
Если изменить направление тока в проводнике на противоположное, то стрелка также поворачивается и устанавливается перпендикулярно к проводнику, но уже в противоположном направлении.
Таким образом, можно говорить о том, что магнитная стрелка взаимодействует с проводником с током. Следовательно, вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое и совершает работу по повороту магнитной стрелки.
На основании подобных многочисленных опытов было установлено, что во всех случаях при движении заряженных частиц обязательно появляется магнитное поле, независимо от рода проводника или среды, в которой эти частицы движутся.
А теперь давайте вспомним, как объясняется наличие магнитного
поля у постоянных магнитов.
Итак, согласно гипотезе великого французского физика
Андре Мари Ампера, внутри каждой молекулы вещества, подобного железу или его
сплавам, циркулируют кольцевые электрические токи.
И если эти элементарные токи ориентированы одинаково, то вокруг них существуют магнитные поля, которые также будут иметь одинаковое направление. В результате эти поля усиливают друг друга, создавая поле внутри и вокруг магнита. Гипотеза Ампера была очень прогрессивна для начала девятнадцатого века, поскольку ещё не было известно ни о строении атома, ни о движении заряженных частиц — электронов вокруг ядра.
Существование магнитного поля вокруг магнита можно обнаружить множеством способов. На практике удобнее использовать мелкие железные опилки, насыпанные на картонный или пластиковый экран.
Изучим магнитное поле прямого проводника с током. Для этого
сквозь лист картона пропустим проводник, соединённый с источником тока.
Насыплем на картон тонкий слой железных опилок. При включении тока железные
опилки под действием магнитного поля переориентируются, показывая картину линий
магнитного поля.
Несколько изменим опыт: вместо металлических опилок поставим на лист картона магнитные стрелки. При замыкании электрической цепи стрелки расположатся вдоль линий магнитного поля. Если же изменить направление тока в проводнике, то все стрелки повернутся на 180о.
Наш опыт позволяет наглядно показать так называемые силовые линии магнитного поля (или просто магнитные линии). В восьмом классе мы говорили о том, что магнитные линии — это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы магнитные стрелки, помещённые в магнитное поле.
Исходя из результатов опыта, мы можем утверждать, что линии магнитного поля имеют определённое направление, которое связано с направлением тока в проводнике. В настоящее время принято считать, что направление линий магнитного поля в каждой точке совпадает с направлением, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещённый в эту точку поля.
Магнитную линию можно провести через любую точку
пространства, в которой существует магнитное поле.
При этом надо помнить, что
она проводится так, чтобы в любой точке этой линии касательная к ней совпала с
осью магнитной стрелки, помещённой в эту точку.
Теперь давайте вспомним, как выглядят линии магнитного поля постоянного полосового магнита. Для этого расположим маленькие магнитные стрелки вокруг магнита. Они мгновенно придут в движение и расположатся в строго определённом порядке.
Из курса физики восьмого класса вы уже знаете, что магнитные линии полосового магнита выходят из его северного полюса и входят в южный. При этом они не имеют ни начала ни конца: они либо замкнуты, либо уходят на бесконечность, в чём легко убедиться с помощью железных опилок.
Не трудно заметить, что опилки располагаются в виде цепочек,
причём с разной плотностью вокруг магнита. Это говорит о том, что действия,
которые оказывает магнит на опилки, в разных точках поля различны. Наиболее
сильно это действие проявляется возле полюсов магнита. А чем дальше от полюсов,
тем слабее подобное действие, следовательно, тем слабее магнитное поле.
Такое магнитное поле в физике называют неоднородным. Его магнитные линии искривлены, а густота меняется от точки к точке.
Примером неоднородного магнитного поля служит и поле прямого проводника с током.
На рисунке вы видите схематические изображения двух участков таких проводников.
Давайте вспомним, что кружочек в центре обозначает сечение проводника, крестик — что ток направлен от нас за чертёж, а точка — что ток направлен наоборот, из-за чертежа к нам. Эти обозначения именуют правилом стрелы. Точка обозначает острие, летящей в нашу сторону стрелы, а крестик её хвостовое оперение, которое можно было бы увидеть, если бы стрела улетела от нас.
Обратите внимание на то, что магнитные линии прямого тока представляют собой концентрические окружности, центром которых является сам проводник с током. В тех областях пространства, где магнитное поле сильнее, магнитные линии изображаются ближе друг к другу (то есть гуще), и наоборот.
Таким образом, по картине магнитных линий можно судить не
только о направлении магнитного поля, но и о его величине.
Что касается однородного магнитного поля, то его есть смысл рассматривать только в некотором приближении. Дело в том, что однородное магнитное поле — это поле, в каждой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинакова по модулю и направлению.
Поскольку линии магнитного поля всегда искривлены, то об однородности поля и говорят только приблизительно. Примером однородного магнитного поля может служить поле внутри полосового магнита вблизи его середины.
Ещё одним примером практически однородного поля является поле, возникающее внутри соленоида, если длина соленоида намного больше его диаметра. Однако вне катушки с током, поле неоднородно и его магнитные линии располагаются примерно также, как и у полосового магнита.
Также видно, что магнитные линии однородного магнитного поля параллельны друг другу и расположены с одинаковой густотой.
Рассмотрим ещё один опыт. Расположим магнитные стрелки вокруг
проводника с током, имеющего форму витка.
Замкнув цепь увидим, что стрелки в
магнитном поле расположились вдоль линий магнитного поля, но ориентированы они
по-разному. Объясняется это тем, что в левой части установки ток «выходит» из
листа, а в правой — «входит» в него.
Исходя из результата этого опыта, говорить о том, что линии магнитного поля имеют определённое направление, которое связано с направлением тока в проводнике.
Эта связь может быть выражена с помощью правила буравчика (или правила правого винта). Он заключается в следующем: если вращать ручку буравчика так, чтобы его остриё двигалось по направлению тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика укажет направление линий магнитного поля тока.
Направление линий магнитного поля можно определить и иначе,
например, с помощью правила правой руки: если обхватить проводник с током
ладонью правой руки так, чтобы отставленный большой палец был сонаправлен с
током, то согнутые четыре пальца укажут направление линий магнитного поля.
Похожее правило применимо и для определения направления магнитного поля внутри соленоида: если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы согнутые четыре пальца указывали направление тока в витках, то отставленный на девяносто градусов большой палец, укажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.
И последнее, на что хотелось бы обратить ваше внимание. Для изображения однородного магнитного поля, перпендикулярного плоскости чертежа, пользуются таким приёмом. Если линии магнитного поля направлены от нас за чертёж, то их изображают крестиками.
А если из-за чертежа к нам — то точками. Как и в случае с током, крестик — это как бы видимое нами оперение стрелы, летящей от нас, а точка — это остриё стрелы, летящей к нам.
Магнитное поле и его графическое изображение презентация, доклад
Тема урока:
«Магнитное поле и его графическое изображение. Неоднородное и однородное магнитное поле.
Зависимость направления магнитных линий от направления тока в проводнике».
Слово «магнит» произошло от названия города Магнессии (теперь это город Маниса в Турции).
«камень Геркулеса». «любящий камень», «мудрое железо», и «царственный камень»
Магнетизм известен с пятого века до нашей эры, но изучение его сущности продвигалось очень медленно. Впервые свойства магнита были описаны в 1269 году. В этом же году ввели понятие магнитного полюса.
Слово МАГНИТ
(от греческого. magnetic eitos)
Минерал, состоящий из: FeO(31%) и Fe2O3 (69%).
В нашей стране его добывают на Урале, в Курской области (Курская магнитная аномалия), В Карелии.
Магнитный железняк – хрупкий минерал, его плотность 5000 кг/м*3
Разнообразные искусственные магниты
Редкоземельные магниты – спеченные и магнитопласты
Магнит обладает на разных участках различной притягивающей силой, на полюсах эта сила наиболее заметна.
СВОЙСТВА
ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ
взаимно притягиваются или отталкиваются
Земной шар – большой магнит.
ГАНС ХРИСТИАН ЭРСТЕД
(1777 – 1851)
Датский профессор химии, открыл существование магнитного поля вокруг проводника с током
Опыт Эрстеда
если по проводнику протекает электрический ток, то расположенная рядом магнитная стрелка изменяет свою ориентацию в пространстве
Опыт Эрстеда 1820 г.
О чем говорит отклонение магнитной стрелки при замыкании
электрической цепи?
Вокруг проводника с током существует
магнитное поле.
На него – то и реагирует магнитная
стрелка.
Магнитное поле – особый вид материи.
Оно не имеет ни цвета, ни вкуса, ни запаха.
Условия существования магнитного поля
а) электрические заряды;
б) наличие электрического тока
Сделаем выводы.
Вокруг проводника с током (т.е. вокруг движущихся зарядов) существует магнитное поле. Оно действует на магнитную стрелку, отклоняя её.
Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.
Источником возникновения магнитного поля является электрический ток.
.
Как можно обнаружить МП?
а) с помощью железных опилок. Попадая в МП, железные опилки намагничиваются и располагаются вдоль магнитных линий, подобно маленьким магнитным стрелкам;
б) по действию на проводник с током. Попадая в МП вокруг проводника с током, магнитная стрелка начинает двигаться, т.к. со стороны МП на неё действует сила .
Почему вокруг магнитов постоянно существует магнитное поле?
Компьютерная модель атома бериллия.
Внутри любого атома существуют молекулярные токи
Изображение магнитного поля
Линии магнитного поля – воображаемые линии, вдоль которых ориентируются магнитные стрелки
север N
юг S
Линии магнитного поля проводника с током направлены по концентрическим окружностям
Расположение железных опилок вокруг полосового магнита
Графическое изображение магнитных линий вокруг полосового магнита
Расположение железных опилок вокруг прямого проводника с током
Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой замкнутые кривые, охватывающие проводник
Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление магнитных линей магнитного поля.
Расположение железных опилок вдоль магнитных силовых линий.
Соленоид – проводник, имеющий вид спирали (катушка).
«солен» — греч. «трубка»
Магнитное поле катушки и постоянного магнита
Катушка с током, как и магнитная стрелка имеет 2 полюса – северный и южный.
Магнитное действие катушки тем сильнее, чем больше витков в ней.
При увеличении силы тока магнитное поле катушки усиливается.
Магнитное поле
Неоднородное.
Однородное.
Магнитные линии искривлены их густота меняется от точки к точке.
Магнитные линии параллельны друг другу и расположены с одинаковой густотой ( например, внутри постоянного магнита).
Что нужно знать о магнитных линиях?
1.
Магнитные линии – замкнутые кривые, поэтому МП называют вихревым. Это означает, что в природе не существует магнитных зарядов. 2.Чем гуще расположены магнитные линии, тем МП сильнее.
3.Если магнитные линии расположены параллельно друг другу с одинаковой густотой, то такое МП называют однородным.
4. Если магнитные линии искривлены – это значит, что сила, действующая на магнитную стрелку в разных точках МП, разная. Такое МП называют неоднородным.
Определение направления магнитной линии
Способы определения направления магнитной линии
При помощи
магнитной
стрелки
По правилу
буравчика (1
правило правой
руки)
По 2 правилу
правой руки
Правило буравчика
Известно, что направление линий магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике.
Эта связь может быть выражена простым правилом, которое называется правилом буравчика.
Правило буравчика заключается в следующем: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.
С помощью правила буравчика по направлению тока можно определить направлений линий магнитного поля, создаваемого этим током, а по направлению линий магнитного поля – направление тока, создающего это
поле.
Правило буравчика (винта)
Если буравчик с правой нарезкой ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки совпадет с направлением магнитного поля.
Правило правой руки для прямого проводника с током
Если правую руку расположить так, чтобы большой палец был направлен по току, то остальные четыре пальца покажут направление линии магнитной индукции
+
—
Определение направления линий магнитного поля прямого проводника с током (правило буравчика)
Определение направления магнитного поля, пронизывающего соленоид (2 правило правой руки)
+
—
2 правило правой руки (для определения направления магнитного поля, пронизывающего соленоид)
Ладонь правой руки расположить так, чтобы четыре пальца были по направлению тока, текущего по виткам соленоида, тогда большой палец укажет на направление магнитного поля, пронизывающего соленоид.
Какие утверждения являются верными?
А.В природе существуют электрические заряды.
Б.В природе существуют магнитные заряды.
В.В природе не существует электрических зарядов.
Г.В природе не существует магнитных зарядов.
а) А и Б,
б) А и В,
в) А и Г,
г) Б, В и Г.
Закончить фразу: «Вокруг проводника с током существует…
а) магнитное поле;
б) электрическое поле;
в) электрическое и магнитное поле.
Какими бывают магнитные линии?
I
Северный полюс магнитной стрелки указывает направление магнитных линий с помощью которых изображается магнитное поле.
На что указывает северный полюс магнитной стрелки?
Направление магнитных линий совпадает с … направлением магнитной стрелки.
a. Южным
b. Северным
c. Не связано с магнитной стрелкой
На рисунке показана картина магнитных линий прямого тока. В какой точке магнитное поле самое сильное?
а) б) в) г)
Определить направление тока по известному направлению магнитных линий.
Какой из вариантов соответствует схеме расположения магнитных линий вокруг прямолинейного проводника с током, расположенного перпендикулярно плоскости рисунка?
а) б) в) г) д)
Какой из вариантов соответствует схеме расположения магнитных линий вокруг прямолинейного проводника с током, расположенного вертикально.
а) б) в) г) д)
Какой из вариантов соответствует схеме расположения магнитных линий вокруг соленоида?
а) б) в) г) д)
Ж. Верн. Пятнадцатилетний капитан
Негоро положил под компас железный брусок. «Железо притянуло к себе стрелку компаса …, стрелка сместилась на четыре румба (один румб равен 110 15 минут)… после того, как из-под нактоуза был убран железный брусок, стрелка компаса заняла вновь нормальное положение и указывала своим острием прямо на магнитный полюс».
Объясните явление.
Сирано де Бержерак
Я изобрел шесть средств
Подняться в мир планет!
… Сесть на железный круг
И, взяв большой магнит,
Его забросить вверх высоко,
Докуда будет видеть око;
Он за собой железо приманит, —
Вот средство верное!
А лишь он вас притянет,
Схватить его и бросить вверх опять, —
Так поднимать он бесконечно станет!
Возможно ли подобное космическое путешествие? Почему?
Домашнее задание:
§42-44.
Упражнение 33,34,35.
Влияние магнитных полей на организм человека и животных.
Все живые организмы, в том числе и человек, рождаются и развиваются в естественных условиях планеты Земля, которая создает вокруг себя постоянное магнитное поле — магнитосферу. Это поле играет очень существенную роль для всех биохимических процессов в организме. Основа лечебного эффекта магнитного поля — улучшение кровообращения и состояния кровеносных сосудов.
Долго искали магнитный компас у почтового голубя, однако мозги птицы никак не реагировали на магнитные поля. Наконец компас обнаружили в… брюшной полости! Навигационные способности мигрирующих животных всегда поражали людей. Ведь какой-то компас приводит их к месту, расположенному за тысячи километров от места рожденья.
Сенсационного результата первыми добились калифорнийские ученые, биологи в содружестве с физиками.
Гелиобиологу Джозею Кришвингу с помощниками удалось обнаружить кристаллы магнитного железняка в мозгах человека. Кришвинг долго изучал в магнитных полях образцы тканей, полученных при посмертных вскрытиях, и пришел к выводу, что количества магнетика в мозговых оболочках как раз ровно столько, сколько необходимо для работы простейшего биологического компаса.
Каждый из нас носит в голове самый настоящий компас, точнее, сразу несколько компасов с микроскопически малыми «стрелками». Однако умение пользоваться скрытым чувством, как мы видим, есть далеко не у каждого.
Можно с полной ответственностью заявить, что человеку не следует терять самообладания в любой сложной ситуации. Для заблудившегося в пустыне, в океане, в горах или в лесу (что более актуально для нас) всегда имеется шанс найти верную дорогу к спасению.
Домашнее задание
1. Просчитать и ответить на вопросы §43-45
2.
выполнить упражнение 35
Скачать презентацию
Магнитное поле и его графическое изображение. Неоднородное и однородное магнитное поле»
План конспект урока
Тема урока: « Магнитное поле и его графическое изображение. Неоднородное и однородное магнитное поле»
Цели:
Образовательные: установить связь между направлением магнитных линий магнитного поля тока и направлением тока в проводнике. Ввести понятие неоднородного и однородного магнитных полей. На практике получить картину силовых линий магнитного поля постоянного магнита, соленоида, проводника по которому течет электрический ток. Систематизировать знания по основным вопросам темы “Электромагнитное поле”, продолжить учить решать качественные и экспериментальные задачи.
Развивающие: активизировать познавательную деятельность обучающихся на уроках физики. Развивать познавательную активность учащихся.
Воспитательные: содействовать формированию идеи познаваемости мира.
Воспитывать трудолюбие, взаимопонимание между учениками и учителем.
Задачи:
Образовательная: углубление и расширение знаний о магнитном поле, обосновать связь между направлением магнитных линий магнитного поля тока и направлением тока в проводнике.
Воспитательная: показать причинно – следственные связи при изучении магнитного поля прямого тока и магнитных линий, что беспричинных явлений не существует, что опыт — критерий истинности знаний.
Развивающая: продолжить работу над формированием умений анализировать и обобщать знания о магнитном поле и его характеристиках. Вовлечение учащихся в активную практическую деятельность при выполнении экспериментов.
Оборудование: презентация, таблица, проектор, экран, магнитные стрелки, железные опилки, магнитики, компас.
План урока:
1. Организационный момент.
Встали, подровнялись. Здравствуйте, садитесь.
2.Изучение новой темы.
Магнитные явления известны людям с глубокой древности.
Еще древние греки знали, что существует особый минерал, способный притягивать железные предметы. Это был один из минералов железной руды, который сейчас известен как магнетит. Его залежи находились возле города Магнесии на севере Турции. Слово «магнит» в переводе с греческого означает «камень из Магнесии».
Впервые свойства магнитных материалов использовали в Китае. Именно там более 4000 лет назад был сконструирован первый компас, и только к XII веку он стал известен в Европе.
История магнита насчитывает свыше двух с половиной тысяч лет.
Старинная легенда рассказывает о пастухе по имени Магнус. Он однажды обнаружил, что железный наконечник его палки и гвозди сапог притягиваются к черному камню. Этот камень стали называть камнем «Магнуса» или просто «магнитом». Но известно и другое предание о том, что слово «магнит» произошло от названия местности, где добывали железную руду (холмы Магнезии в Малой Азии) Слайд 2. Таким образом, за много веков до н.э. было известно, что некоторые каменные породы обладают свойством притягивать куски железа.
Об этом упоминал в VI в до н.э. греческий физик Фалес. В те времена свойства магнитов казались волшебными. в той же древней Греции их странное действие связывали напрямую с деятельность Богов.
Вот как описывал свойство этого камня древнегреческий мудрец Сократ: « Этот камень не только притягивает железное кольцо- он одаряет своей силой и кольцо, так что оно в свою очередь может притягивать другое кольцо, и таким образом может висеть друг на друге множество колец и кусков железа! Это происходит благодаря силе магнитного камня»
Каковы же свойства магнитов и чем определяются свойства магнитов? Для этого посмотрим опыт. Берем лист бумаги, магнит и железные опилки. Что мы наблюдаем? Видео
Слайд 3
Известные с древних времен явления притяжения разноименных и отталкивания одноименных полюсов магнита напоминают явление взаимодействия разноименных и одноименных электрических зарядов. Однако многочисленные попытки ученых установить связь между электрическими и магнитными явлениями на протяжении многих столетий оставались безрезультатными.
Почему куски, железные опилки притягиваются к магниту? Подобно тому как стеклянная палочка притягивает к себе куски бумаги, подобно этому магнит притягивает к себе железные опилки Вокруг магнита существует магнитное поле.
Первыми экспериментами, показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется связь, были опыты датского физика Ханса Кристиана Эрстеда. В своём знаменитом опыте, описываемом ныне во всех школьных учебниках физики и проведённом в 1820 году, он обнаружил, что провод, по которому идёт ток, действует на магнитную стрелку.
Эрстед не только провёл свой опыт, но и сделал правильный вывод: «электрический конфликт не ограничен проводящей проволокой, а имеет довольно обширную сферу активности вокруг этой проволоки». Переводя на современный язык, это можно понимать так: «действие тока есть не только внутри провода (его нагревание), но и вокруг (магнитное поле)».
Открытие Эрстеда вызвало необычайный интерес его современников — физиков и послужило началом ряда исследований, показавших сходство магнитного действия тока и действия постоянного магнита.
У многих возникал вопрос: а существует ли обратное действие, то есть постоянного магнита на проводник с током? Для поиска ответа проделаем опыт.
Положим на стол полосовой магнит, а над ним подвесим прямой жёсткий проводник на гибких проводах, подводящих ток, но дающих вместе с тем возможность проводнику поворачиваться. Как только мы подключим источник тока, проводник развернётся перпендикулярно к магниту. Другой вариант этого же опыта. Гибкий провод подвешен рядом с вертикально закреплённым магнитом. Когда по проводу идёт ток, то на каждый участок провода действует сила, разворачивающая его перпендикулярно к магниту. Поэтому провод и обвивается вокруг магнита, указывая на «круговой» характер магнитного поля.
Поскольку электрический ток — это направленное движение заряженных частиц, то можно сказать, что магнитное поле создается движущимися заряженными частицами, как положительными, так и отрицательными.
Итак запишем определение:
Магнитное поле-это особый вид материи, который создается вокруг магнитов движущимися заряженными частицами, как положительными, так и отрицательными.
Слайд 5
Запомните ,что если частицы движутся, то создается магнитное поле. Мы сказали что магнитного поля.- это особый вид материи ,оно называется особым видом, т.к. не воспринимается органами чувств.
Для обнаружения магнитного поля. используются магнитные стрелки.
Для наглядного представления магнитного поля мы пользуемся магнитными линиями (их называют также линиями магнитного поля). Напомним, что магнитные линии— это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле. Слайд6
Магнитную линию можно провести через любую точку пространства, в котором существует магнитное поле.
На рисунке 86, а, б показано, что магнитная линия (как прямолинейная, так и криволинейная) проводится так, чтобы в любой точке этой линии касательная к ней совпадала с осью магнитной стрелки, помещенной в эту точку. Слайд 6
Магнитные линии являются замкнутыми.
Например, картина магнитных линий прямого проводника с током представляет собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику.Слайд 7
Замкнутость линий магнитного поля представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно свидетельствует о том, что магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе нет. Источником магнитного поля являются движущиеся заряды и переменные электрические поля.
За направление магнитной линии в какой-либо ее точке условно принимают направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещенной в эту точку.
В тех областях пространства, где магнитное поле более сильное, магнитные линии изображают ближе друг к другу, т. е. гуще, чем в тех местах, где поле слабее. Например, поле, изображенное на рисунке 87, слева сильнее, чем справа. Слайд 8
Таким образом, по картине магнитных линии можно судить не только о направлении, но и о величине магнитного поля (т.
е. о том, в каких точках пространства поле действует на магнитную стрелку с большей силой, а в каких — с меньшей).
Давайте посмотрим на рис. 88 в учебнике: изображен проводник с током ВС, давайте вспомним что такое эл. ток- движение заряж. частиц, а мы говорили ,если частицы движутся ,то создается магнитное поле. Давайте посмотрим в точке N будет действовать магнитное поле? Да, будет, т.к. ток течет по всему проводнику. В какой точке А или М магнитное поле будет сильнее? В точке А т.к. она находится ближе к магниту.
Магнитное поле бывает 2х видов: однородное и неоднородное. Давайте рассмотрим эти виды магнитных полей.
Магнитные линии не имеют ни начала, ни конца: они либо замкнуты, либо, идут из бесконечности в бесконечность. Рис. 89
Вне магнита магнитные линии расположены наиболее густо у его полюсов. Значит, возле полюсов поле самое сильное, а по мере удаления от полюсов оно ослабевает. Чем ближе к полюсу магнита расположена магнитная стрелка, тем с большей по модулю силой действует на нее поле магнита.
Поскольку магнитные линии искривлены, то направление силы, с которой поле действует на стрелку, тоже меняется от точки к точке.
Таким образом, сила, с которой поле полосового магнита действует на помещенную в это поле магнитную стрелку в разных точках поля может быть различной как по модулю, так и по направлению.
Слайд 9
Такое поле называется неоднородным. Линии неоднородного магнитного поля искривлены, их густота меняется от точки к точке.
Еще одним примером неоднородного магнитного поля может служить поле вокруг прямолинейного проводника с током. На рисунке 90 изображен участок такого проводника, расположенный перпендикулярно к плоскости чертежа. Кружочком обозначено сечение проводника. Из этого рисунка видно, что магнитные линии поля, созданного прямолинейным проводником с током, представляют собой концентрические окружности, расстояние между которыми увеличивается по мере удаления от проводника.
В некоторой ограниченной области пространства можно создать однородное магнитное поле, т.
е. поле, в любой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинакова по модулю и направлению.
Слайд 10.
На рисунке 91 показано однородное поле, возникающее внутри так называемого соленоида, т. е. проволочной цилиндрической катушки с током. Поле внутри соленоида можно считать однородным, если длина соленоида значительно больше его диаметра (вне соленоида поле неоднородно, его магнитные линии расположены примерно так же, как у полосового магнита). Из этого рисунка мы видим, что магнитные линии однородного магнитного поля параллельны друг другу и расположены с одинаковой густотой. Однородным является также поле внутри постоянного полосового магнита в центральной его части (см. рис. 89).
Слайд11
Для изображения магнитного поля пользуются следующим приемом. Если линии однородного магнитного поля расположены перпендикулярно к плоскости чертежа и направлены от нас за чертеж, то их изображают крестиками (рис. 92), а если из-за чертежа к нам — то точками (рис.
93). Как и в случае с током, каждый крестик — это как бы видимое нами хвостовое оперение летящей от нас стрелы, а точка — острие стрелы, летящей к нам (на обоих рисунках направление стрел совпадает с направлением магнитных линий).
Из этого рисунка видно, что магнитные линии поля, созданного прямолинейным проводником с током, представляют собой концентрические окружности, расстояние между которыми увеличивается по мере удаления от проводника.
В некоторой ограниченной области пространства можно создать однородное магнитное поле, т. е. поле, в любой точке которого сила действия на магнитную стрелку одинакова по модулю и направлению.
На рисунке показано однородное поле, возникающее внутри так называемогосоленоида, т. е. проволочной цилиндрической катушки с током. Поле внутри соленоида можно считать однородным, если длина соленоида значительно больше его диаметра (вне соленоида поле неоднородно, его магнитные линии расположены примерно так же, как у полосового магнита).
Из этого рисунка видно, что магнитные линии однородного магнитного поля параллельны друг другу и расположены с одинаковой густотой.
Однородным является также поле внутри постоянного полосового магнита в центральной его части.
Основные выводы:
– Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды.
– Для наглядного представления магнитного поля пользуются магнитными линиями.Магнитные линии — это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле.
– Замкнутость линий магнитного поля представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно свидетельствует о том, что магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе нет.
– За направление магнитной линии в какой-либо ее точке условно принимают направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещенной в эту точку.
– Сила, с которой поле полосового магнита действует на помещенную в это поле магнитную стрелку, в разных точках поля может быть различной как по модулю, так и по направлению.
Такое поле называетсянеоднородным.
– Магнитные линии однородного магнитного поля параллельны друг другу и расположены с одинаковой густотой.
Домашнее задание.
Параграф 43, 44. упр 34.
Приготовить сообщения на тему: « М.п. Земли», «М.п. в живых организмах», «Магнитные бури» .
Обзор магнитных полей| Характеристики | Факты
ОбзорМагнетизм — это природное явление, возникающее в результате движения электрических зарядов. Эти движения часто нано-маленькие и происходят внутри соединения, называемого магнитами. Другие магниты могут притягиваться или отталкиваться магнитами или магнитными полями, создаваемыми движением электрических зарядов, которые также могут изменять подвижность различных других заряженных частиц.
Согласно веб-сайту HyperPhysics Университета штата Джорджия, сила, с которой линии магнитного поля действуют на частицы, известна как сила Лоренца. Электростатически заряженная частица в магнитном поле испытывает силы, зависящие от размера заряда, скорости частицы и напряженности ее поля.
Отличительной характеристикой силы Лоренца является то, что она заставляет частицы двигаться в правильном направлении (под углом) к их первоначальному движению.
| Знаете ли вы? Некоторые вещества, такие как железо, классифицируются как постоянные магниты, потому что они могут поддерживать магнитное поле, которое существует вечно. Именно такие магниты чаще всего встречаются в повседневной жизни. При помещении в более сильные магнитные поля некоторые материалы, такие как никель, железо и кобальт, могут временно потерять свои магнитные свойства. |
Линии поля представляют собой альтернативный метод отображения данных в магнитном векторном поле, его линии являются гипотетическими.
Это поле можно представить визуально с помощью силовых линий магнитного поля. Они объясняют, как магнитная сила северного монополя ведет себя в каждом месте.
Плотность линий показывает, насколько велико поле.
Например, вблизи полюсов магнита намагниченность более интенсивная и плотная, но начинает ослабевать, и линии становятся менее толстыми по мере удаления человека от полюсов.
Характеристики линий магнитного поля:
- Эти линии никогда не пересекаются друг с другом.
- Плотность линий поля указывает на силу поля.
- Линии поля всегда образуют замкнутые пути.
- Эти силовые линии обычно берут начало или начинаются на северном полюсе и заканчиваются там.
Напряженность магнитного поля, также известная как напряженность магнитного поля, может быть определена как отношение MMF, необходимое для создания определенной плотности потока внутри определенного материала на единицу длины этого материала. Один из самых фундаментальных способов измерить его силу — использовать физическую величину, известную как напряженность магнитного поля. Измеряется в амперах на метр или А/м.
Напряженность магнитного поля — это один из двух способов выражения напряженности магнитного поля.
Теоретически существует разница между плотностью магнитного потока B, рассчитанной в ньютон-метрах на ампер (Нм/А), также известной как тесла (Тл), и напряженностью магнитного поля H, рассчитанной в амперах на метр (А/м).
Силовые линии представляют собой магнитное поле. Сила магнитного поля напрямую связана с плотностью силовых линий магнитного поля. Магнитный поток (поток энергии) относится к силовым линиям полного магнитного поля в данном пространстве. Тесла-метр в квадрате (T.m2, также известный как вебер, обозначается как «Wb»). Более ранние единицы, максвелл (равный 10-8 Вб) и гаусс (равный 10-4 Тл), для плотности магнитного потока и магнитного потока, соответственно, больше не используются и почти не соблюдаются.
Плотность магнитного потока уменьшается с увеличением расстояния от прямой линии, соединяющей два магнитных полюса, или прямого провода с током. Плотность магнитного потока напрямую связана с силой тока в амперах в определенном месте вблизи проводника с током.
«Магнитная сила», действующая на ферромагнитный объект, такой как кусок железа, прямо обратно пропорциональна изменению напряженности магнитного поля в том месте, где находится другой объект.
Напряженность магнитного поля относится к силе, с которой сталкивается единичный северный полюс с силой в один Вебер в определенном месте в магнитных полях.
Формула напряженности магнитного поля может быть получена следующим образом:
B = μ0I / 2πr
Где,
B = напряженность магнитного поля (Тесла, Тл)
μ0 = проводимость свободного поля, т. е. 4μ × 10−7 Тл. м / А
I = сила электрического тока (Ампер, А)
r = расстояние (м)
Кроме того, ниже есть важная связь,
H = B / мкм
H = B / μ0 – M
B может использовать эту конкретную форму для выражения своей связи.
B = μ0 (H+M)
Ампер/метры будут одинаковыми для H и M. Аналитики иногда ссылаются на магнитную индукцию или плотность магнитного потока, чтобы еще больше отделить B от H.
Намагниченность объекта также число М в этих соединениях.
Другим часто используемым выражением связи между B и H является
B = мкмГн
Здесь
μ = мкм = Kmμ0
В этом случае μ0 представляет проводимость пространства. Km обозначает проводимость материала. Кроме того, Km = 1, если материал не производит никакого намагничивания в ответ на внешние магнитные поля. Магнитная восприимчивость, также известная как магнитная величина, объясняет различия относительной проводимости друг от друга.
Магнитная восприимчивость χm = Km – 1
Можно извлечь единицу напряженности магнитного поля, которая является H, из ее отношения к магнитному полю B.
В = мкГн.
Кроме того, Н/А2 является единицей магнитной проводимости. Следовательно, формула напряженности магнитного поля измеряется в:
Т(Н/А2) = (Н/Ам) / (Н/А2) = А/м
| Знаете ли вы? Эрстед — еще одна устаревшая единица измерения напряженности магнитного поля; 1 А/м равен 0,01257 эрстед. |
Магнитное поле Земли создается электрическими токами высоко над земной поверхностью и глубоко внутри планеты. Поле встречает плазму, текущую в солнечном ветре, когда она движется вглубь космоса. На дневной стороне планеты он сжимается, а на ночной вытягивается в длинный хвост из-за движения вокруг него солнечного ветра.
Рассеивая высокоэнергетические частицы солнечного ветра, геомагнитное поле защищает поверхность земли. Огромные количества плазмы и солнечной энергии выбрасываются в стратосферу Земли во время магнитных бурь, столкновений со спутниками, радиосвязью, электросетями и полярными сияниями.
Имеет направление и величину (размер). Это можно объяснить группировками элементов или компонентов. На графике показаны наиболее часто упоминаемые элементы геомагнетизма: H, F, X, Z, Y, Z, D и I.
Направление боковой (горизонтальной) составляющей геомагнитного поля служит определением магнитного севера, куда указывает стрелка компаса (H).
Угол между магнитным истинным севером и севером известен как геомагнитное склонение (D), также известное как вариация.
| Как ни странно: Планета Земля является мощным магнитом. По данным НАСА, магнитное поле планеты создается потоком электрического тока внутри ее расплавленного металлического ядра. Маленькая магнитная стрелка в барометре установлена так, что она может свободно вращаться внутри своего контейнера для координации с магнитным полем Земли, поэтому она указывает на север. Поскольку стрелки компаса рисуются с северными магнитными полюсами, то, что люди ошибочно называют северным магнитным полюсом, на самом деле является южным магнитным полюсом. |
Наклон вектора поля (I), также известный как наклон, представляет собой угол, в котором он наклонен относительно горизонтали. Истинный восточный (Y) компонент, истинный северный (X) компонент, вертикальный компонент (Z) и общая напряженность магнитного поля (F) являются четырьмя компонентами геомагнитного поля.
Единицы нанотесла (нТл) используются для измерения магнитных полей элементов или компонентов F, X, Z, Y и H. Углы используются для измерения наклона (I) и склонения (D).
Дополнительные компоненты магнитных полей можно определить по X, Y и Z. Например; учащиеся могут вычислить F из уравнения
Заключение Магнитные поля представляют собой бесконечные линии магнитного потока, которые проходят от магнитных полюсов, направленных на север, к магнитным полюсам, направленным на юг. Плотность линий показывает, насколько сильным является магнитное поле. Силовые линии перегружены или более плотно расположены на полюсах; например, магнитное поле сильно на северном и южном полюсах магнита. Там, где магнитное поле слабее, они расплываются и теряют плотность. Параллельные прямые линии, расположенные на равном расстоянии друг от друга, представляют собой однородные магнитные поля. Чтобы учащиеся могли расширить свои знания в этой области, они должны иметь базовые знания по этой теме.
1. Что такое силовые линии магнитного поля?
Ответ. Линии магнитного поля — это линии, образующие магнитное поле; их касательные в разных точках указывают соответственно направление и амплитуду поля. Они служат маркером направления магнитного поля. Общее количество силовых линий магнитного поля влияет на силу магнитного поля.
2. Что такое магнитное поле?
Ответ. Магнитное поле, также известное как электрический заряд или электрическое поле, представляет собой векторное поле, которое окружает магнит и в котором обнаруживаются магнитные силы. Стрелки магнитометра и другие постоянные магниты выравниваются в направлении магнитных полей, как на Земле. Эти поля заставляют электрически заряженные частицы двигаться по спирали или кругу. Функционирование электродвигателей обусловлено этой силой, которая приложена к электрическим импульсам в проводах в магнитных полях.
3.
Что такое магнитная восприимчивость?
Ответ. Магнитная восприимчивость материала количественно измеряется его способностью намагничиваться в ответ на приложенные магнитные поля. Магнитная восприимчивость материала, обычно обозначаемая символом χm, равна отношению магнетизма M, присутствующего в материале, к напряженности приложенного магнитного поля H, или χm = M/H. Коэффициент намагниченности в основном включает в себя определенное количество магнетизма на единицу объема.
Магнитные силы и энергия — MCAT Physical
Все физические ресурсы MCAT
8 Диагностические тесты 303 практических теста Вопрос дня Карточки Learn by Concept
Физическая помощь MCAT » Физика » Электричество и магнетизм » Магнетизм и электромагнетизм » Магнитные силы и энергия
Электрон движется с постоянной скоростью, направленной влево через магнитное поле, направленное внутрь страницы, как показано ниже.
В какую сторону будет направлен вектор силы, действующей на электрон из-за магнитного поля?
Возможные ответы:
В начало страницы
Вправо страницы
Вне страницы
Вниз страницы
В начало страницы Правильный ответ: 9002 страница
Пояснение:
При нахождении направления силы магнитного поля, действующей на ПОЛОЖИТЕЛЬНО заряженную частицу, мы можем использовать правило правой руки. Удерживая большой палец перпендикулярно остальным пальцам (как бы останавливаясь), сориентируйте пальцы параллельно линиям магнитного поля, а большой палец — вектору скорости заряда. Для положительного заряда сила будет направлена прямо из ладони; ОДНАКО заряд электрона отрицателен, и поэтому сила будет приложена в противоположном направлении. Это будет означать, что сила будет исходить прямо от тыльной стороны вашей руки (в данном случае, к верхней части страницы), используя правило правой руки.
Сообщить об ошибке
Заряженная частица входит в однородное магнитное поле со скоростью v, перпендикулярной полю, и движется по круговой траектории радиуса R. Если бы массу частицы удвоить, радиус стал бы __________.
Возможные ответы:
R/2
R/4
4R
2R
R
Правильный ответ:
2R
Пояснение:
Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле описывается уравнением R = mv/qB, поэтому радиус пути частицы пропорционален ее массе. Таким образом, если масса удвоится, радиус также удвоится.
Сообщить об ошибке
Электрон движется с постоянной скоростью прямо на восток. Он перемещается из области нулевого магнитного поля в однородное магнитное поле ненулевой величины и неизвестного направления. Что из перечисленного не может описать движение электрона после входа в поле?
Возможные ответы:
Он продолжает двигаться на восток с той же скоростью
Его путь начинает поворачивать на юг
Он движется по спиральной траектории
Он продолжает двигаться на восток, но с большей скоростью
Его путь начинает поворачивать на север
Правильный ответ:
Он продолжает двигаться на восток, но с большей скоростью
Пояснение:
Магнитная сила может ускорить заряженную частицу, изменив направление ее скорости, но не может изменить величину скорости.
Если магнитное поле имеет какие-либо компоненты, перпендикулярные начальной скорости частицы, на частицу будет действовать сила согласно уравнению:
Эта сила создается перпендикулярно траектории движения частицы и вызывает изменение направления скорости частицы. Если магнитное поле параллельно начальной скорости, на частицу не будет действовать магнитная сила, и ее траектория останется неизменной. Частица не может ускоряться в магнитном поле, не меняя направления.
Сообщить об ошибке
Какова величина силы, действующей на заряд, движущийся с постоянной скоростью через перпендикулярное магнитное поле?
Возможные ответы:
Правильный ответ:
Пояснение:
Уравнение для нахождения силы, действующей на заряд в магнитном поле:
F = qvBsinθ
поле в Теслах.
Поскольку заряд движется перпендикулярно магнитному полю, sinθ =1. Поэтому мы находим силу, подставляя значения и умножая их.
Сообщить об ошибке
В проводнике с током какое из следующих выражений лучше всего связывает заряд, ток, скорость и длину провода?
Предположим, что это 90 o .
Возможные ответы:
Правильный ответ:
Пояснение:
Сила заряда в магнитном поле определяется уравнением . q — заряд, v — скорость, B — напряженность магнитного поля.
Кроме того, сила, действующая на провод с током в магнитном поле, определяется уравнением . I — ток, L — длина провода, B — напряженность магнитного поля.
Поскольку мы предполагаем, что угол равен 90 o , мы можем установить два уравнения силы равными друг другу и вывести уравнение .
Манипулируя переменными, мы можем сгенерировать уравнение. Ни один из других вариантов ответа не может быть получен из этих уравнений.
Сообщить об ошибке
Частица, изображенная выше слева, имеет заряд и скорость, направленную вправо. Что произойдет, когда частица попадет в изображенное магнитное поле?
Возможные ответы:
Он будет двигаться от наблюдателя
Он будет двигаться до полной остановки
Он будет двигаться к наблюдателю
Он будет двигаться вверх
Он будет двигаться вниз
8 s
8
Удалится от наблюдателя
Пояснение:
Чтобы определить направление, в котором будет ускоряться заряд, используйте правило правой руки для магнитной силы. Для начала вытяните руку и поднимите большой палец, а затем поверните запястье по часовой стрелке так, чтобы большой палец был направлен в направлении скорости заряда.
Затем вытяните указательный палец так, чтобы он указывал на плоскость страницы/экрана ладонью вверх. Теперь поверните запястье так, чтобы указательный палец указывал в направлении линий магнитного поля. Теперь ваш указательный палец должен быть направлен вниз, ладонь обращена к экрану/странице, а большой палец по-прежнему направлен вправо. Направление магнитной силы, ощущаемой положительным зарядом, перпендикулярно вашей ладони наружу, в плоскость страницы/экрана. Обратите внимание, что если бы заряд был отрицательным, направление магнитной силы, ощущаемой зарядом, вместо этого исходило бы перпендикулярно от верхней части вашей руки.
Сообщить об ошибке
Уведомление об авторских правах
Все физические ресурсы MCAT
8 Диагностические тесты 303 практических теста Вопрос дня Карточки Learn by Concept
Распространение электромагнитных волн — Учебное пособие по Java
Распространение электромагнитных волн — Учебное пособие по Java
Электромагнитные волны могут генерироваться различными способами, такими как разрядная искра или колеблющийся молекулярный диполь.
Видимый свет является широко изучаемой формой электромагнитного излучения и демонстрирует колеблющиеся электрические и магнитные поля, амплитуды и направления которых представлены векторами, которые колеблются по фазе в виде синусоидальных волн в двух взаимно перпендикулярных (ортогональных) плоскостях. В этом руководстве исследуется распространение виртуальной электромагнитной волны и рассматривается ориентация векторов магнитного и электрического поля.
Чтобы повернуть модель волны, щелкните и перетащите в любом месте окна.
Учебник начинается с электромагнитной волны, генерируемой разрядной искрой виртуального конденсатора. Искровой ток колеблется с частотой, характерной для цепи, и результирующее электромагнитное возмущение распространяется с векторами электрического ( E ) и магнитного ( B ) полей, колеблющимися перпендикулярно друг другу и направлению распространения ( Z ). Длина волны, излучаемая разрядом виртуального конденсатора, может быть изменена (в пределах диапазона видимого света) с помощью ползунка Длина волны .
Перед дальнейшим обсуждением явления анизотропии необходимо сделать базовый обзор нескольких принципов физической оптики, необходимых для последующих обсуждений. Как упоминалось ранее, видимый свет представляет собой форму электромагнитной волны. Если зарядить конденсатор (рис. 1) и через два электрода разрядить искру, ток, индуцированный искрой, на короткое время стекает вниз, замедляется, но из-за индуктивности цепи течет обратно вверх, перезаряжая снова конденсатор.
Распространение электромагнитной волны, генерируемой разряжающимся конденсатором или колеблющимся молекулярным диполем, показано на рисунке 1. Искровой ток колеблется с частотой ( ν ), которая является характеристикой цепи. Возникающие в результате электромагнитные помехи распространяются электронным ( E ) и магнитным ( B ) векторами, колеблющимися перпендикулярно друг другу, а также направлению распространения ( Z ). Частота ν определяется осциллятором, а длина волны определяется частотой колебаний, деленной на скорость волны.
Когда ток колеблется вверх и вниз в искровом промежутке с характерной частотой цепи ( ν ), создается магнитное поле, которое колеблется в горизонтальной плоскости. Изменяющееся магнитное поле, в свою очередь, индуцирует электрическое поле, так что серия электрических и магнитных колебаний объединяется, создавая образование, которое распространяется как электромагнитная волна.
Электрическое поле в электромагнитной волне колеблется, его векторная сила то усиливается, то ослабевает, указывая то в одном, то в другом направлении, чередуясь по синусоидальному закону (рис. 1). На той же частоте магнитное поле колеблется перпендикулярно электрическому полю. Электрический и магнитный векторы, отражающие амплитуду и направления колебаний двух волн, ориентированы перпендикулярно друг другу и направлению распространения волны.
Скорость результирующей электромагнитной волны можно вывести из соотношений, определяющих взаимодействие электрического и магнитного полей. Уравнения Максвелла доказывают, что скорость равна скорости света в вакууме ( c ; равна 300 000 километров в секунду), деленной на квадратный корень из диэлектрической проницаемости ( ξ ) среды, умноженной на магнитную проницаемость ( μ ). ) среды. Таким образом,
(1)
Для большинства материалов, встречающихся в живых клетках (некоторые из которых непроводящие), магнитная проницаемость равна единице, так что :
(2)
Эмпирически известно, что скорость света обратно пропорциональна показателю преломления ( n ) материала, через который он распространяется: 9000, поэтому 9000, поэтому = c/n
(3)
Из уравнений (2) и (3) можно сделать вывод, что показатель преломления равен квадратному корню из диэлектрической проницаемости этого материала, если измерения производятся на одной частоте 9Уравнение (4) показывает, что оптические измерения фактически являются измерениями электрических свойств материала. Диэлектрические свойства, в свою очередь, непосредственно отражают пространственное трехмерное расположение атомов и молекул, определяющих структуру вещества.
Вектор, описывающий взаимодействие между электромагнитным полем и веществом, лежит в том же направлении, что и электрический вектор. Это справедливо независимо от того, рассматриваются ли электрические или магнитные векторы, поскольку важно влияние электрических или магнитных полей на электроны в материальной среде (магнитное поле воздействует на те электроны, которые движутся в плоскости, перпендикулярной магнитному полю). ).
Соавторы
Кеннет Р. Спринг — Научный консультант, Ласби, Мэриленд, 20657.
Шинья Иноуэ — Морская биологическая лаборатория, 7 MBL Street, Вудс-Хоул, Массачусетс, 02543.
06
B Роберт Т. Саттер и Майкл В. Дэвидсон — Национальная лаборатория сильного магнитного поля, 1800 г. Восточная часть Пол Дирак Доктор, Университет штата Флорида, Таллахасси, Флорида, 32310.Уравнения Максвелла: предсказание и наблюдение электромагнитных волн
Цель обучения
К концу этого раздела вы сможете:
- Переформулировать уравнения Максвелла.
Рис. 1. Джеймс Клерк Максвелл, физик 19-го века, разработал теорию, объясняющую взаимосвязь между электричеством и магнетизмом, и правильно предсказал, что видимый свет вызывается электромагнитными волнами. (кредит: Г. Дж. Стодарт)
Шотландец Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879)) считается величайшим физиком-теоретиком 19 века. (См. рис. 1.) Хотя он умер молодым, Максвелл не только сформулировал полную электромагнитную теорию, представленную уравнениями Максвелла , он также разработал кинетическую теорию газов и внес значительный вклад в понимание цветового зрения и природы Сатурна. кольца.
Максвелл объединил всю работу, проделанную блестящими физиками, такими как Эрстед, Кулон, Гаусс и Фарадей, и добавил свои собственные идеи для разработки всеобъемлющей теории электромагнетизма. Уравнения Максвелла перефразированы здесь словами, потому что их математическая формулировка выходит за рамки этого текста. Однако уравнения иллюстрируют, как, казалось бы, простые математические утверждения могут изящно объединять и выражать множество понятий — вот почему математика — это язык науки.
Уравнения Максвелла
- Линии электрического поля начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах. Электрическое поле определяется как сила на единицу заряда пробного заряда, а величина силы связана с электрической постоянной ε 0 , также известной как диэлектрическая проницаемость свободного пространства. Из первого уравнения Максвелла мы получаем специальную форму закона Кулона, известную как закон Гаусса для электричества.
- Линии магнитного поля непрерывны, не имеют ни начала, ни конца. Известно, что магнитных монополей не существует. Сила магнитной силы связана с магнитной постоянной μ 0 , также известной как проницаемость свободного пространства. Это второе уравнение Максвелла известно как закон Гаусса для магнетизма.
- Изменяющееся магнитное поле индуцирует электродвижущую силу (ЭДС) и, следовательно, электрическое поле. Направление ЭДС противоположно изменению. Это третье уравнение Максвелла представляет собой закон индукции Фарадея и включает в себя закон Ленца.
- Магнитные поля генерируются движущимися зарядами или изменяющимися электрическими полями. Это четвертое уравнение Максвелла включает в себя закон Ампера и добавляет еще один источник магнетизма — изменяющиеся электрические поля.
Уравнения Максвелла охватывают основные законы электричества и магнетизма. Что не так очевидно, так это симметрия, которую Максвелл ввел в свою математическую структуру. Особенно важно добавление им гипотезы о том, что изменяющиеся электрические поля создают магнитные поля. Это в точности аналогично (и симметрично) закону индукции Фарадея, о чем уже некоторое время подозревали, но прекрасно вписывается в уравнения Максвелла.
Симметрия проявляется в природе в самых разных ситуациях. В современных исследованиях симметрия играет важную роль в поиске субатомных частиц с использованием массивных многонациональных ускорителей частиц, таких как новый Большой адронный коллайдер в ЦЕРНе.
Установление связей: объединение сил
Полная и симметричная теория Максвелла показала, что электрические и магнитные силы не являются отдельными, а являются разными проявлениями одного и того же — электромагнитной силы. Это классическое объединение сил является одним из мотивов нынешних попыток объединить четыре основных взаимодействия в природе — гравитационное, электрическое, сильное и слабое ядерное взаимодействие.
Поскольку изменяющиеся электрические поля создают относительно слабые магнитные поля, их было нелегко обнаружить во времена гипотезы Максвелла. Однако Максвелл понял, что колеблющиеся заряды, подобные зарядам в цепях переменного тока, создают изменяющиеся электрические поля. Он предсказал, что эти меняющиеся поля будут распространяться от источника подобно волнам, создаваемым в озере прыгающей рыбой.
Волны, предсказанные Максвеллом, будут состоять из колеблющихся электрических и магнитных полей, определяемых как электромагнитная волна (ЭМ-волна). Электромагнитные волны могли бы воздействовать на заряды на большом расстоянии от их источника, и поэтому их можно было бы обнаружить. Максвелл рассчитал, что электромагнитные волны будут распространяться со скоростью, определяемой уравнением 98\text{ м/с}\\[/latex]
, что равно скорости света. Фактически Максвелл пришел к выводу, что свет представляет собой электромагнитную волну с такой длиной волны, что ее можно обнаружить глазом.
Должны существовать и другие длины волн — еще неизвестно, существуют ли они. Если это так, то теория и замечательные предсказания Максвелла подтвердятся, что станет величайшим триумфом физики со времен Ньютона. Экспериментальная проверка пришла через несколько лет, но не раньше смерти Максвелла.
Наблюдения Герца
Немецкий физик Генрих Герц (1857–1894) первым сгенерировал и обнаружил определенные типы электромагнитных волн в лаборатории. Начиная с 1887 года он провел серию экспериментов, которые не только подтвердили существование электромагнитных волн, но и подтвердили, что они распространяются со скоростью света.
Гц использовали схему AC RLC (резистор-индуктор-конденсатор), которая резонирует на известной частоте [латекс]f_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}\\[/latex] и подключил его к проволочной петле, как показано на рис. 2. Высокое напряжение, индуцированное через зазор в петле, вызывало искры, которые были видимым свидетельством тока в цепи и помогали генерировать электромагнитные волны.
Через лабораторию Герц прикрепил еще один контур к другому контуру RLC , который можно было настроить (как шкала на радио) на ту же резонансную частоту, что и первый, и, таким образом, можно было настроить на прием электромагнитных волн. В этой петле также был зазор, через который генерировались искры, что давало убедительные доказательства того, что электромагнитные волны были получены.
Рис. 2. Аппарат, использованный Герцем в 1887 г. для генерации и обнаружения электромагнитных волн. РЛК цепь, подключенная к первому контуру, вызывала искрение через разрыв в проводном контуре и генерировала электромагнитные волны. Искры через щель во втором контуре, расположенном поперек лаборатории, свидетельствовали о том, что волны были получены.
Герц также изучал отражение, преломление и интерференцию генерируемых им электромагнитных волн, подтверждая их волновой характер. Он смог определить длину волны по интерференционным картинам, а зная их частоту, рассчитать скорость распространения по уравнению v = fλ (скорость — или скорость — равна частоте, умноженной на длину волны). Таким образом, Герц смог доказать, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света. Единица СИ для частоты, герц (1 Гц = 1 цикл/сек), названа в его честь.
Резюме раздела
- Электромагнитные волны состоят из осциллирующих электрических и магнитных полей и распространяются со скоростью света c . Их предсказал Максвелл, который также показал, что
[латекс]\displaystyle{c}=\frac{1}{\sqrt{{\mu }_{0}{\epsilon}_{0}}}\\[ /латекс],
, где μ 0 — проницаемость свободного пространства, а ε 0 — диэлектрическая проницаемость свободного пространства. - Предсказание Максвелла об электромагнитных волнах явилось результатом его формулировки полной и симметричной теории электричества и магнетизма, известной как уравнения Максвелла.
- Эти четыре уравнения перефразированы в этом тексте, а не представлены в числовом виде, и охватывают основные законы электричества и магнетизма. Первый — это закон Гаусса для электричества, второй — закон Гаусса для магнетизма, третий — закон индукции Фарадея, включая закон Ленца, и четвертый — закон Ампера в симметричной формулировке, добавляющий еще один источник магнетизма — изменяющиеся электрические поля.
Задачи и упражнения
- Убедитесь, что правильное значение скорости света c получается при вводе в уравнение числовых значений проницаемости и диэлектрической проницаемости свободного пространства (μ 0 и ε 0 ) [latex]c=\frac{1}{\sqrt{{\mu}_{0}{\epsilon}_{0}}}\\[/latex].
- Покажите, что при вводе единиц СИ для μ 0 и ε 0 единицы, заданные правой частью уравнения в приведенной выше задаче, равны м/с.
Глоссарий
электромагнитные волны: излучение в форме волн электрической и магнитной энергии
уравнения Максвелла: набор из четырех уравнений, составляющих полную всеобъемлющую теорию электромагнетизма
9:090 RLC электрическая цепь, включающая резистор, конденсатор и катушку индуктивности
герц: единица СИ, обозначающая частоту электромагнитной волны в циклах в секунду
скорость света: в вакууме, таком как космос, скорость света постоянна 3 × 10 источник, производящий электрический ток
линии электрического поля: набор воображаемых линий, которые проходят между источником электричества и заряженными объектами в окружающей области, со стрелками, направленными от положительно заряженных объектов к отрицательно заряженным объектам. Чем больше линий в узоре, тем сильнее электрическое поле в этой области
линии магнитного поля: набор непрерывных воображаемых линий, которые выходят из противоположных магнитных полюсов и входят в них. Плотность линий указывает на величину магнитного поля
| Генераторы и двигатели Магниты — это куски металла, способные притягивать к себе другие металлы. Форма магнита определяет путь силовых линий. Обратите внимание, что сила на рисунке 1 состоит из нескольких линий, движущихся в определенном направлении. Можно сделать вывод, что линии идут от северного полюса магнита к южному. Эти силовые линии часто называют магнитным потоком. Если стержневой магнит теперь изогнут, чтобы сформировать подковообразный магнит, северный и южный полюса теперь находятся напротив друг друга. Обратите внимание, что в подковообразном магните силовые линии теперь прямые и проходят от северного полюса к югу. Когда ток течет по проводнику, магнитное поле окружает проводник. По мере увеличения тока увеличивается и количество силовых линий в магнитном поле (рис. 2). Правило правой руки помогает продемонстрировать взаимосвязь между током в проводнике и направлением силы. Возьмите проволочный проводник в правую руку, положите большой палец на провод, направленный вверх, и обхватите провод четырьмя пальцами. Пока большой палец находится в направлении, в котором ток течет по проводу, пальцы скручиваются вокруг провода в направлении магнитного поля. Рисунок 3 демонстрирует правило правой руки. Проводник можно скрутить в катушку, которая эффективно производит ток при разрезании силовых линий в магнитном поле. Когда нужно определить, какие полюса в проводнике какие, важно заметить, в какую сторону повернуты катушки, чтобы применить правило правой руки. Кроме того, всегда следует смотреть, какая сторона катушки подключена к положительной клемме источника питания, такого как батарея, а какая сторона подключена к отрицательной. Рисунок 4 иллюстрирует четыре различных сценария и соответствующие полюса. Когда проводник пересекает силовые линии в магнитном поле, он генерирует ток. Этот метод индукции тока называется индукцией. Есть три правила индукции:
Соответственно, закон Фарадея гласит, что индуцированное напряжение может быть определено количеством витков в катушке и скоростью, с которой катушка пересекает магнитное поле. Следовательно, чем больше витков в катушке или чем сильнее магнитное поле, тем больше индуцированное напряжение. Кроме того, ток меняет направление в зависимости от того, каким образом он пересекает магнитное поле. Как показано на рис. 5, катушка, пересекающая основное магнитное поле по часовой стрелке, сначала приведет к возникновению тока положительной полярности, но поскольку она пересекает то же поле в противоположном направлении во второй половине своего оборота, полярность становится отрицательной. Когда ток многократно переключается с положительного на отрицательный, это называется переменным током или переменным током. Переменный ток будет объяснен более подробно позже. Постоянный ток Когда ток является постоянным (D. Генератор представляет собой устройство, преобразующее механическую энергию вращения в электрическую энергию. Простые генераторы постоянного тока состоят из нескольких частей, включая якорь (или ротор), коллектор, щетки и обмотку возбуждения. Различные источники могут подавать механическую энергию на генератор постоянного тока для вращения его якоря. Коммутатор преобразует переменный ток (AC) в постоянный, когда он протекает через якорь. Стационарные щетки, представляющие собой графитовые соединители на генераторе, образуют контакт с противоположными частями коллектора. Когда катушка якоря вращается, она пересекает магнитное поле, и индуцируется ток. При первом полуобороте катушки якоря (по часовой стрелке) контакты между коммутатором и щетками меняются местами, или, говоря иначе, первая щетка теперь касается противоположного сегмента, которого она касалась на первом полуобороте, а вторая щетка касается сегмента, противоположного тому, которого она коснулась на первом полуобороте. Двигатели преобразуют электрическую энергию в механическую. Двигатели и генераторы постоянного тока устроены очень похоже. Сначала они функционируют почти противоположным образом, потому что генератор создает напряжение, когда проводники пересекают силовые линии в магнитном поле, в то время как двигатели создают крутящий момент — крутящее усилие механического вращения. Простые двигатели имеют плоскую катушку, по которой течет ток, который вращается в магнитном поле. Двигатель действует как генератор, поскольку после запуска он создает противоположный ток, вращаясь в магнитном поле, что, в свою очередь, приводит к физическому движению. Это достигается, когда проводник проходит через магнитное поле, затем противоположные поля отталкивают друг друга, вызывая физическое движение. Правило левой руки можно использовать для объяснения работы простого двигателя (рис. Двигатель с самовозбуждением создает собственное возбуждение поля. У шунтового двигателя поле параллельно цепи якоря, а у последовательного двигателя поле последовательно с якорем. Когда проводник сгибается в катушку, физическое движение совершает цикл вверх и вниз. Чем больше изгибов в катушке, тем менее пульсирующим будет движение. Это физическое движение называется крутящим моментом и может быть измерено уравнением: T = кт Q ia T = крутящий момент кт = константа в зависимости от физических размеров двигателя Q = общее количество линий потока, поступающих в якорь от одного полюса N ia = ток якоря Переменный ток Подобно процессу производства постоянного тока, процесс производства переменного тока требует, чтобы петля проводника вращалась в магнитном поле. Обратите внимание, какой отрезок волны состоит из одного цикла, а какой является частью волны от точки А до следующей точки А. Если разделить волну на четыре равные части, деления происходят в точках А, В, С, и D. Мы можем прочитать поворот катушки и то, как он связан с производимой волной. От А до В — первая четверть витка катушки, от В до С — вторая четверть витка, от С до D — третья четверть витка, а от D до А — последняя четверть витка. Важно отметить, что отметки градусов на горизонтальной оси относятся к электрическим градусам и не являются геометрическими. Пример выше относится к однополюсному генератору. Генератор переменного тока или генератор переменного тока вырабатывает переменный ток, что означает многократное изменение направления полярности тока. Для этого типа генератора требуется катушка, пересекающая магнитное поле, и он прикреплен к двум токосъемным кольцам, соединенным со щетками. Щетки передают ток к месту назначения нагрузки и от него, замыкая таким образом цепь. Во время первого полуоборота катушка пересекает поле вблизи северного полюса магнита. Электроны поднимаются по проводу, и нижнее токосъемное кольцо становится положительно заряженным. Когда катушка обрывается около южного полюса провода во время второго полуоборота, нижнее токосъемное кольцо становится отрицательно заряженным, и электроны движутся по проводу. Чем быстрее вращается катушка, тем быстрее движутся электроны, или, другими словами, тем больше увеличивается частота, или чем больше герц в секунду, тем сильнее ток. Двигатель переменного тока аналогичен двигателю постоянного тока, за исключением нескольких характеристик. Вместо поля ротора, изменяющегося каждые пол-оборота, поле статора меняется каждые пол-оборота. Существует несколько различных типов двигателей переменного тока. Наиболее распространенным типом является многофазный асинхронный двигатель, который содержит статор и ротор, где статор подключен к сети переменного тока. Когда обмотка статора находится под напряжением, создается вращающееся магнитное поле. ЭДС индуцируется, когда поле проходит через катушки индуктивности и через них протекает ток. Таким образом, крутящий момент воздействует на проводники ротора, несущие ток в статоре. НАЗАД В ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНИТИЗМ ДОМ Вопросы или комментарии? Отправить нам письмо.© 1995-2022 автор Майкл В. Дэвидсон и Университет штата Флорида. Все права защищены. Никакие изображения, графика, программное обеспечение, сценарии или апплеты не могут быть воспроизведены или использованы каким-либо образом без разрешения владельцев авторских прав. Использование этого веб-сайта означает, что вы соглашаетесь со всеми правовыми положениями и условиями, изложенными владельцами.Этот веб-сайт поддерживается нашимГруппа графического и веб-программирования в сотрудничестве с Optical Microscopy в Национальной лаборатории сильного магнитного поля. Последнее изменение: пятница, 13 ноября 2015 г., 14:19Количество обращений с 29 марта 1999 г.: 353624 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Классическая физика
Электрические и магнитные поля
Поле — это математическая функция, которая присваивает количество каждой точке пространства. Скалярные поля присваивают скалярные величины каждой точке пространства; векторных полей назначают векторы каждой точке пространства. В физике векторные поля используются для представления поведения сил. Например, поведение гравитационных сил может быть представлено путем назначения векторов точкам в пространстве, где каждый вектор представляет величину и направление гравитационной силы, которая будет действовать на объект, расположенный в этой точке.
Электрические и магнитные силы также могут быть представлены векторными полями. Каждый заряженный объект окружен электрическим полем . Напряженность и направление электрического поля в каждой точке определяется как сила, которая действовала бы на частицу с положительным зарядом 1 кулон, если бы частица находилась в этой точке (независимо от того, находится ли такая частица там на самом деле или нет).
Моделирование электрического поля Перетащите несколько положительных и/или отрицательных зарядов (красные и синие круги) в пространство. Затем добавьте датчики электрического поля (желтые кружки), чтобы увидеть векторы силы в любой заданной точке. Также попробуйте установить флажок «Электрическое поле», чтобы визуализировать линии электрического поля.
Предоставлено PhET Interactive Simulations, лицензия Creative Commons CC BY 4.0
Линии электрического полявокруг положительных и отрицательных зарядов
Изображения предоставлены Geek3, лицензия Creative Commons CC BY-SA 3.0. Нажмите на изображения для исходных файлов. Эти файлы не были изменены.
Поведение сил также может быть удобно представлено с помощью линий поля . Силовые линии — это линии (или кривые) в пространстве, которые следуют направлениям векторов силы в каждой точке. Другими словами, это пути, по которым будут двигаться объекты, движущиеся небольшими шагами, следуя направлению вектора силы в одной точке к ближайшей точке (не проходя всю длину вектора), а затем следуя направлению вектора силы. вектор второй точки на короткое расстояние до третьей точки и так далее. Линии поля не показывают величина (сила) сил в каждой точке, но они позволяют легко представить, как направления векторов изменяются в области пространства.
Магнитное поле — это другой вид векторного поля, связанного с электрическими зарядами. Направление векторов магнитной силы в каждой точке соответствует направлению, в котором был бы сдвинут северный полюс магнита, если бы он находился в этой точке. Магнитные поля возникают всякий раз, когда заряженный объект движется. Когда заряженный объект движется по прямой линии, силовые линии магнитного поля образуют концентрические окружности, перпендикулярные направлению движения объекта. Например, когда электрический ток движется по прямому проводу, силовые линии магнитного поля образуют круги вокруг провода. (электрический ток представляет собой поток заряженных частиц, обычно электронов.)
Физики представляют направление электрического тока как противоположное направлению потока электронов. Например, если электроны движутся вправо, считается, что электрический ток течет влево.
Теперь представьте, что произойдет, если мы возьмем этот провод и согнем его в петлю, чтобы ток двигался по кругу. Линии магнитного поля проходят через петлю, охватывая каждый сегмент провода. Все эти силовые линии магнитного поля проходят через петлю в одном направлении. Результатом такой компоновки является магнитное поле с двумя магнитными полюсами : исходящая сторона петли называется северным полюсом , а входящая сторона называется южным полюсом .
Нечто подобное происходит на микроскопическом уровне, когда электроны вращаются вокруг ядра атома. Когда каждый электрон вращается вокруг ядра, он создает (очень слабое) магнитное поле с северным и южным полюсами. В некоторых атомах электроны вращаются в противоположных направлениях, поэтому их магнитные поля компенсируют друг друга. Однако магнитные поля, создаваемые вращающимися электронами атома, не всегда компенсируются, и многие атомы действительно действуют как миниатюрные магниты. Если достаточное количество этих атомов выровнено в одном направлении, их магнитные поля работают вместе, создавая гораздо более сильное магнитное поле, которое можно почувствовать в макроскопическом масштабе. Магниты — это просто материалы, атомы которых выровнены таким образом.
Обратите внимание на близкое сходство с линиями электрического поля, окружающими положительный и отрицательный заряды.
Изображение Geek3, Лицензия Creative Commons CC BY-SA 3.0. Щелкните изображение для исходного файла. Этот файл не был изменен.
Некоторые минералы, такие как магнетит, имеют естественное расположение атомов. Магниты также можно создавать искусственно, помещая определенные металлы (например, железо) в магнитное поле, заставляя атомы выравниваться (временно или постоянно, в зависимости от процесса) с этим магнитным полем. Например, простой временный магнит можно сделать, обернув проволоку вокруг гвоздя, а затем пропустив через нее электрический ток. Круговые электрические заряды в проводе создают слабое магнитное поле, и атомы железа в гвозде выравниваются с этим полем, так что их собственные магнитные поля работают вместе, создавая гораздо более сильное поле. Такие временные магниты называются электромагниты . Материалы, атомы которых постоянно выровнены, называются постоянными магнитами .
Если разломить постоянный магнит пополам, у каждой половинки будут свои северный и южный полюса. Повторяйте этот процесс столько раз, сколько хотите; вы никогда не получите северный полюс или южный полюс сам по себе. Поскольку у каждого атома есть и северный, и южный магнитные полюса, невозможно получить только северный или южный полюс. Другими словами, магнитных «монополей» в природе не существует. И в лаборатории магнитный монополь тоже не создашь. Магнитных монополий просто не существует.
