Магнитное поле, его свойства 11 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

«Письмо о магните»

 

Первая публикация о свойствах магнита, которую можно считать научной работой, уносит нас в 1269 год, в военный лагерь армии короля Сицилии Карла Анжуйского, осадившей итальянский город Лусеру. Именно оттуда французский философ и естествоиспытатель Пьер де Марикур отправил приятелю в Пикардию документ, который вошел в историю науки как «Письмо о магните».

 

Рис. 1. Рисунок компаса XIV столетия из книги «Письмо о магните» де Марикура (1269)

Необходимо отметить, что в упомянутый период среди образованной части населения Европы и Востока было очень модно размышлять о вечных двигателях. Исследователи опирались на эффект силы тяжести, под влиянием которой откидывались противовесы на колесах (рис. 2) либо переливалась ртуть в размещенных по периметру колеса сосудах (рис. 3).

Рис. 2. Пример «вечного двигателя»	Рис. 3. «Пример вечного двигателя»

Работа самодвижущего устройства Пьера де Марикура основывалась на использовании магнитных сил. Вот почему он уделил столько внимания исследованию магнитов.

 

Полюса магнита

 

 

Марикур указывает, что в каждом куске магнита имеются две области, особенно сильно притягивающие железо.

 

Рис. 4. Области, особенно сильно притягивающие железо

Он усмотрел параллель между этими зонами и полюсами небесной сферы, и поэтому мы теперь говорим о северном и южном магнитных полюсах.

Если разбить кусок магнита надвое, пишет Марикур, в каждом осколке появляются собственные полюса (рис. 5). То есть невозможно отделить полюса магнита друг от друга.

Рис. 5. Полюса магнита

После появления книгопечатания труд Пьера де Марикура много раз издавался отдельной брошюрой. Его с уважением цитировали многие натуралисты вплоть до XVII столетия.

 

Вклад У. Гильберта в теорию магнитного поля

 

 

С трудами Пьера де Марикура был знаком и английский придворный врач Уильям Гильберт (рис. 6). Как врач ее величества, Гильберт увлекался модным на тот период исследованием весьма сомнительного «омолаживающего эффекта малых порций магнита». Именно по этой причине он и занялся изучением свойств магнитов. Он проделал более 600 опытов в свободное от работы время.

 

Рис. 6. Уильям Гильберт (1544–1603)

В 1600 году, уникальном в историческом смысле, вышел его труд «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле». В этой книге Гильберт не только привел практически все известные сведения о свойствах природных магнитов и намагниченного железа, но и описал собственные опыты, например с шаром из магнетита, с помощью которых он воспроизвел основные черты земного магнетизма. Он обнаружил, что на обоих магнитных полюсах такой «маленькой Земли» компасная стрелка устанавливается перпендикулярно ее поверхности, на экваторе – параллельно, а на средних широтах – в промежуточном положении (рис. 7).

Рис. 7. Расположение магнитной стрелки в разных частях Земли

Тот магнитный полюс стрелки, который притягивается к географическому северному полюсу Земли, назвали северным. Противоположные магнитные полюса притягиваются, поэтому, вблизи географического северного полюса находится магнитный южный полюс.

Так Гильберт смоделировал магнитное наклонение, о существовании которого в Европе знали уже более полувека. Также Гильберт обнаружил, что сильно нагретое железо теряет магнитные свойства, но при охлаждении они восстанавливаются. И наконец, он первым провел четкую границу между притяжением магнетита и притяжением натертого янтаря, которое он назвал электрической силой (от латинского названия янтаря electrum). Он развел «по углам» электричество и магнетизм. Несмотря на то что это был чрезвычайно новаторский труд, по достоинству оцененный и современниками, и потомками, после Гильберта наука о магнетизме вплоть до начала XIX века продвинулась очень мало.

Рис. 8. Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806)

В 1785 году известный нам уже Шарль Кулон (рис. 8) посредством прецизионных измерений на крутильных весах показал, что сила взаимодействия магнитных полюсов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними – точно так же, как и сила взаимодействия между электрическими зарядами. 

 

Опыты Эрстеда. Открытие электромагнетизма

 

 

Когда будущий автор «Голого короля» и «Дюймовочки» четырнадцатилетним подростком добрался до Копенгагена, он обрел друга и покровителя в лице своего двойного тезки, ординарного профессора физики и химии Копенгагенского университета Ганса Христиана Эрстеда (рис. 9). И оба прославили свою страну на весь мир.

 

Рис. 9. Ганс Христиан Эрстед (1777–1851)

Многие ученые того периода находились под влиянием философских концепций Шеллинга, которые заключались в том, что все силы в природе возникают из одних и тех же источников. Поэтому Эрстед начиная с 1813 года вполне сознательно пытался установить связь между электричеством и магнетизмом.

Это удалось сделать весной 1820 года, во время очередной лекции по электричеству.

Рис. 10. Опыт Эрстеда, проведенный в 1820 г.

Эрстед на лекции демонстрировал нагрев проволоки электричеством от вольтова столба, для чего составил электрическую цепь. На демонстрационном столе случайно находился морской компас, поверх стеклянной крышки которого проходил один из проводов. Вдруг кто-то из студентов присутствующих на лекции случайно заметил, что, когда Эрстед замкнул цепь, магнитная стрелка компаса отклонилась в сторону. Начались исследования обнаруженного феномена. Для начала Эрстед повторил условия своего лекционного опыта.

Опыты Эрстеда

1. Магнитные стрелки располагаются на подставке с иглой и могут свободно вращаться. В свободном состоянии они ориентируются по меридиану Земли, однако, поскольку все они обладают магнитными свойствами, они влияют друг на друга и ориентированы хаотично. Между стрелками расположим проводник из немагнитного материала (медь, алюминий).

Проводник соединим через ключ с источником постоянного тока. Пока цепь разомкнута и в проводнике нет тока, стрелки не реагируют на присутствие провода. При замыкании цепи стрелки стремятся развернуться таким образом, чтобы быть ориентированными по касательной к окружности, центром которой является проводник (рис. 11).

Рис. 11. Опыт Эрстеда

Изменим полярность подключения провода. При смене направления тока в проводнике мы увидим, что стрелки опять стремятся развернуться таким образом, чтобы быть ориентированными по касательной к окружности, центром которой является проводник, но при этом их полюса меняются местами.

2. Далее Эрстед проверяет действие проводников из различных металлов на стрелку. Для этого берутся проволоки из платины, золота, серебра, латуни, свинца, железа. Оказывается, что металлы, которые никогда не обнаруживали магнитных свойств, приобретают их, когда через них протекает электрический ток.

3. Когда Эрстед ставил провод вертикально, то магнитная стрелка совсем не указывала на него, а располагалась как бы по касательной к окружности, центром которой является проводник. При этом стрелки, которые находились в диаметрально противоположных точках окружности, были ориентированы противоположно друг другу (рис. 12).

Рис. 12. Магнитное поле проводника с током

Это натолкнуло Эрстеда на идею о том, что действие проводника с током на магнитные стрелки носит вихревой характер, так как именно вихрям свойственно действовать в противоположных направлениях на двух концах одного диаметра.

Из опытов Эрстеда вытекают следующие выводы:

1. Электричество и магнетизм тесно связаны друг с другом.
2. Электрический ток оказывает магнитное действие.
3. Вокруг проводника с током возникают магнитные силы, или, говоря современным языком, возникает магнитное поле.
4. Магнитное поле вокруг проводника с током носит вихревой характер.

Опыт Эрстеда доказывал не только связь между электричеством и магнетизмом. Электрические и магнитные силы больше не рассматривались по отдельности, а были объединены так называемыми электромагнитными явлениями.

 

Список литературы

1. Соколович Ю. А., Богданова Г. С. Физика: справочник с примерами решения задач. – 2-е издание, передел. – X.: Веста: издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
2. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика 11 кл.: учебник для общеобразовательных учреждений. – 23-е изд. – М.: Просвещение, 2014. – 400 с.
3. Кудрявцев П. С. Курс истории физики. Учеб. пособие для студентов физ.-мат. фак. пед. ин-тов. – М.: Просвещение, 1974.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «class-fizika.narod.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «eduspb.com» (Источник)
3. Интернет-портал «electrono.ru» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Что мы получим, если магнит разрезать на несколько частей?
2. Укажите направление линий магнитного поля проводника с током:
   
3. Какие выводы можно сделать из проведенных опытов Эрстеда?

 

Магнитное поле, его свойства

Сегодня на уроке мы с вами поговорим о магнитном поле и его свойствах

 «Исследования Ампера… принадлежат к

 числу самых блестящих работ,

которые проведены когда-либо в науке»

Джеймс Клерк Максвелл

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 в III веке до нашей эры был сконструирован первый компас, и только к XII веку он стал известен в Европе. Первой крупной работой, посвящённой исследованию магнитных явлений, является книга Вильяма Гильберта «О магните», вышедшая в 1600 году.

Известные с древних времен явления притяжения разноименных и отталкивания одноименных полюсов магнита

напоминают явление взаимодействия разноименных и одноименных электрических зарядов.

Известно, что между неподвижными электрическими зарядами действуют силы, определяемые законом Кулона. Согласно теории близкодействия это взаимодействие осуществляется так: каждый из зарядов создает электрическое поле, которое действует на другой заряд.

Однако долгое время оставался неразрешимым вопрос о том, могут ли между электрическими зарядами существовать силы иной природы? Рассмотрим опыт, проведенный французским физиком Андре-Мари Ампером в 1820 году.

Ампер взял два гибких провода и укрепил их вертикально, а затем присоединил нижние концы проводов к полюсам источника тока. При таком подключении с проводниками не обнаруживалось никаких изменений. Проводники заряжались от источника тока, но заряды проводников при разности потенциалов между ними в несколько вольт ничтожно малы. Поэтому кулоновские силы никак не проявляются.

Затем Ампер замкнул другие концы проводников небольшой проволочкой так, чтобы в проводниках возникли токи противоположного направления. Оказалось, что при таком подключении проводники начинают отталкиваться друг от друга.

Если же поменять направление токов так, чтобы они текли в одном направлении, то проводники начинали притягиваться друг к другу.

Это взаимодействие не может быть вызвано электростатическим полем по следующим причинам. Во-первых, при размыкании цепи взаимодействие проводников прекращается, хотя заряды на проводниках и их электростатические поля остаются. Во-вторых, одноименные заряды (электроны в проводнике) всегда только отталкиваются.

В том же 1820 году Ханс Кристиан Эрстед провел серии опытов. Он располагал проводник над магнитной стрелкой (или под ней) параллельно ее оси. При пропускании тока по проводнику, стрелка начинала отклоняться от своего первоначального положения. При размыкании цепи — стрелка возвращалась в своё первоначальное положение.

  

Этот опыт наглядно показывает, что в пространстве, окружающем проводник с током, действуют силы, вызывающие поворот магнитной стрелки, то есть силы, подобные тем, которые действуют на нее вблизи постоянных магнитов.

Поэтому взаимодействия между проводниками с током, т.е. взаимодействия между направленно движущимися электрическими зарядами, называют магнитными.

Силы же, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.

Действие магнитных сил было обнаружено в пространстве и вокруг отдельно движущихся заряженных частиц. Русский и советский физик Абрам Фёдорович Иоффе в 1911 году наблюдал отклонение магнитных стрелок, расположенных вблизи пучка движущихся электронов.

    

Схема его опыта довольно проста. Над и под трубкой, через которую пропускался поток электронов, находились две одинаковые, но противоположно направленные магнитные стрелки, укрепленные на общем кольце, подвешенном на упругой нити. При прохождении в трубке потока электронов магнитные стрелки поворачивались.

Таким образом, многочисленные опыты привели ученых к выводу, что вокруг любого проводника с током, т. е. вокруг движущихся электрических зарядов, существует магнитное поле.

Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Магнитное поле можно обнаружить и исследовать с помощью железных опилок, магнитной стрелки, а также небольшого контура или рамки с током, причем собственное магнитное поле контура должно быть слабым по сравнению с исследуемым.

Проводники, подводящие ток к контуру, должны быть расположены вблизи друг друга или сплетены между собой, тогда их магнитные поля взаимно компенсируются. Ориентация такого контура характеризуется направлением нормали к контуру. В качестве положительного направления нормали принимается направление, которое связано с током правилом правого винта (или правилом буравчика): если головку винта поворачивать по направлению тока в контуре, то поступательное движение острия винта указывает направление положительной нормали.

Опыт показывает, что если подвесить такой контур на гибких проводниках в магнитном поле, то он повернется и установится определенным образом. Таким образом, магнитное поле оказывает на контур с током ориентирующее действие. При этом положительная нормаль будет направлена к плоскости контура вдоль продольной оси магнитной стрелки, помещенной в ту же точку магнитного поля. Поэтому за направление магнитного поля принимают направление от южного полюса к северному по оси свободно установившейся в магнитном поле стрелки.

Основные выводы:

Вокруг движущихся электрических зарядов, существует магнитное поле.

Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Магнитное поле порождается электрическим током и обнаруживается по действию на электрический ток.

Магнитное поле | Свойства магнитных линий класса силы 12, JEE —

Скачать ведущий JEE в Индии | НИТ | Приложение для подготовки к экзаменам для классов 8–10

Зарегистрироваться сейчас

Магнитное поле

Пространство вокруг магнита (или проводника с током), в котором может ощущаться его магнитное действие. Магнитные силовые линии можно определить как изогнутые линии, используемые для представления магнитного поля, нарисованные таким образом, что количество линий относится к напряженности магнитного поля в данной точке, а касательная любой кривой в конкретной точке проходит вдоль направления магнитного поля. магнитная сила в этой точке. Также обсуждаются свойства магнитных силовых линий.

Магнитное поле:

Магнитное поле определяется как пространство вокруг магнита (или проводника с током), в котором может ощущаться его магнитное воздействие.

1. Магнитное поле в области называется однородным, если величина его напряженности и направления одинаковы во всех точках этой области.
2. Магнитное поле в области называется однородным, если величина его напряженности и направления одинаковы во всех точках этой области. 9{-4}$ Тесла (T)

Свойства магнитных силовых линий:

Линии магнитного поля являются графическим методом представления магнитного поля. Это было введено Майклом Фарадеем .

1.  Силовая линия представляет собой воображаемую кривую, касательная к которой в точке дает направление магнитного поля в этой точке
2. Линия магнитного поля представляет собой воображаемый путь, по которому будет стремиться двигаться изолированный северный полюс, если он может сделать это бесплатно.
3. Магнитные силовые линии представляют собой замкнутые кривые. Кажется, что они сходятся или расходятся на полюсах. вне магнита они проходят с севера на южный полюс и внутри с юга на север.
4. Количество линий, начинающихся или заканчивающихся на полюсе, пропорционально силе его полюса. Магнитный поток = количество магнитных силовых линий = $\mu_{0} \times m$ Где $${\mu _0}$$ количество линий, связанных с единичным полюсом.
5. Магнитные силовые линии не пересекаются друг с другом, потому что если бы они пересекались, то были бы два направления магнитного поля, что невозможно.
6. Магнитные силовые линии могут входить или выходить из поверхности под любым углом.
7. Количество силовых линий на единицу площади в точке дает величину поля в этой точке. Сплошные линии показывают сильное поле, а удаленные линии представляют слабое поле.
8. Магнитные силовые линии имеют тенденцию сокращаться в продольном направлении, как натянутая эластичная струна, создающая притяжение между противоположными полюсами.
9. Магнитные силовые линии имеют тенденцию отталкиваться друг от друга в поперечном направлении, что приводит к отталкиванию между сходными полюсами.
10. Область космоса без магнитного поля не имеет силовых линий. В точке neutra l , где результирующее поле равно нулю, не может быть никакой силовой линии.
11. Магнитные силовые линии существуют внутри каждого намагниченного материала.

Важные моменты:

1. Магнитные силовые линии всегда образуют замкнутые и непрерывные кривые, тогда как электрические силовые линии прерывисты.
2. Каждая электрическая силовая линия начинается с положительного заряда и заканчивается отрицательным зарядом. Электрические силовые линии прерывисты, потому что внутри заряженного тела таких линий нет.
3. В магнетизме, поскольку нет монополий, поэтому силовые линии магнитного поля будут замкнутыми петлями без начала и конца. Магнитные силовые линии проходят через тело магнита.
4. В очень удаленных точках линии электрического диполя и магнитного диполя кажутся идентичными.

Об eSaral В eSaral мы предлагаем полную платформу для подготовки к IIT-JEE и NEET. Основная миссия eSaral состоит в том, чтобы предоставить образование каждому студенту в Индии, устранив географические и экономические факторы, поскольку прогресс и развитие страны зависят от доступности качественного образования для всех и каждого. Сочетая образование и технологии, команда eSaral сделала обучение персонализированным и адаптивным для всех.

Чтобы получить бесплатные видеолекции и полные учебные материалы, загрузите приложение eSaral.     

Скачать ведущий JEE в Индии | НИТ | Класс 8-10 Приложение для подготовки к экзамену

Зарегистрироваться сейчас

Линии магнитного поля: определение, направление и свойства

Что такое линии магнитного поля

Магнитное поле можно визуально представить воображаемыми линиями, проведенными вокруг магнита или намагниченного объекта . Эти линии известны как линии магнитного поля или магнитные силовые линии. Поскольку магнитное поле является векторной величиной, оно будет иметь как величину, так и направление, как показано на изображении ниже. Сила магнитного поля определяется количеством линий, пересекающих единицу площади перпендикулярно линиям. Линия, проведенная по касательной в любой точке силовых линий, дает направление магнитного поля (см. красные стрелки на изображении). Линии магнитного поля аналогичны силовым линиям электрического поля.

Линии магнитного поля

Свойства линий магнитного поля

Вот некоторые общие факты и характеристики силовых линий магнитного поля.

• Замкнутая и непрерывная кривая
• Плотность определяет напряженность магнитного поля – скученность силовых линий указывает на сильное магнитное поле
• Плотность уменьшается с увеличением расстояния от объекта
• Магнитное поле и магнитная сила касательны линиям
• Линии никогда не пересекаются. В противном случае касательная в точке пересечения будет показывать разные направления, что невозможно

Примеры линий магнитного поля

1. Стержневой магнит

Стержневой магнит — это постоянный магнит, чей магнетизм сохраняется навсегда. Линии магнитного поля в стержневом магните образуют замкнутые линии. Стержневой магнит имеет два полюса – северный полюс и южный полюс. Линии магнитного поля выходят из северного полюса и заканчиваются в южном полюсе. Внутри магнита они путешествуют с юга на северный полюс. Линии магнитного поля можно нарисовать, поднеся компас к магниту. Компас, сам магнит, выравнивается по этим линиям так, что его стрелка указывает в направлении магнитной силы.

Свойства линий магнитного поля стержневого магнита

Помимо свойств, рассмотренных в предыдущем разделе, силовые линии магнитного поля стержневого магнита обладают следующими дополнительными свойствами.

• Поток от северного к южному полюсу вне магнита и с юга к северному полюсу внутри магнита
• Параллельный и однородный внутри магнита и расходящийся и неоднородный снаружи
• Ближе друг к другу на полюсах
• Увеличивает напряженность магнитного поля на столбы

Линии магнитного поля вокруг стержневого магнита

Два магнита рядом друг с другом

Когда два стержневых магнита помещаются рядом друг с другом, линии их магнитного поля искажаются из-за сил притяжения и отталкивания между магнитами. Правило таково: одноименные полюса отталкиваются, а противоположные притягиваются. Когда северный полюс одного стержневого магнита обращен к южному полюсу другого, силовые линии магнитного поля соединятся вместе (см. (а) на изображении выше). Линии будут выходить из северного полюса и заканчиваться в южном полюсе. Линии станут более плотными в области между двумя полюсами. Когда два северных полюса или два южных полюса находятся близко друг к другу, силовые линии магнитного поля будут отклоняться друг от друга из-за отталкивания (см. (b) на изображении).

2. Провод с током

Закон Ампера показал, что ток, протекающий по проводу, создает магнитное поле. Линии магнитного поля вокруг любого провода с током представляют собой концентрические окружности с центром, лежащим на проводе. Направление силовых линий магнитного поля можно определить по правилу правой руки. Предположим, что большой палец указывает в текущем направлении. Пальцы, обвивающие провод, задают направление магнитного поля. Сила магнитного поля обратно пропорциональна расстоянию от провода.

Линии магнитного поля вокруг провода с током

3. Соленоид

Соленоид представляет собой катушку из множества витков изолированного медного провода, плотно навитого по спирали, часто вокруг металлического сердечника. Форма соленоида обычно цилиндрическая с прямой осью. Когда ток проходит по проводам, создается магнитное поле; таким образом, соленоид ведет себя как электромагнит. Линии магнитного поля аналогичны силовым линиям стержневого магнита. Внутри соленоида силовые линии параллельны, а магнитное поле однородно. С другой стороны, магнитное поле снаружи равно нулю.

4. Подковообразный магнит

Подковообразный магнит принимает форму подковы или буквы U. Из него можно сделать постоянный магнит или электромагнит. Основное преимущество подковообразного магнита перед другими типами магнитов заключается в том, что магнитные полюса расположены очень близко друг к другу, что приводит к гораздо более сильному магнитному полю.