Магнитные поля создаются движущимися частицами :: SYL.ru
Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами, поэтому само понятие возникло в электродинамике одновременно с понятием «электрическое поле». Оно было введено сначала М. Фарадеем, а чуть позже — Дж. Максвеллом, чтобы объяснить, почему электрические заряды имеют такую относительно небольшую дальность взаимодействия.
В эфире
Отцы электродинамики считали, что поле создается путем деформации эфира — невидимой умозрительной среды, заполняющей все сущее (Эйнштейн во время работы над теорией относительности упразднил понятие эфира). Хотя современным людям это и может показаться странным, но до 20 века физики действительно не сомневались в некой субстанции, пронизывающей все сущее. То, как магнитные поля создаются и какова их природа, физики не могли объяснить.
Когда в обиход вошла специальная теория относительности (СТО), а эфир «официально убрали», пространство стало «пустым», однако поля даже в вакууме продолжали взаимодействовать, а ведь это невозможно между нематериальными объектами (по крайней мере согласно СТО), поэтому физики сочли нужным присвоить некоторые атрибуты электрическим и магнитным полям.
Создаются такие понятия, как масса, импульс и энергия полей.
Свойства магнитного поля
Первое его свойство объясняет природу происхождения: магнитное поле может возникнуть только под воздействием движущихся зарядов (электронов) электрического тока. Силовая характеристика магнитного поля называется магнитной индукцией, она присутствует в любой точке поля.
Воздействие поля распространяется только на движущиеся заряды, магниты и проводники. Оно может быть двух типов: переменного и постоянного. Измерить магнитное поле можно только с помощью специальных приборов, оно не фиксируется человеческими органами чувств (хотя биологи считают, что некоторые животные могут воспринимать изменения в нем). Суть еще одного свойства магнитного поля состоит в том, что оно имеет электродинамическую природу не только потому, что может влиять только на движущиеся заряды, но и потому, что само порождается движением зарядов.
Как увидеть
Хотя органы чувств человека и не могут зафиксировать присутствие магнитного поля, его направление можно определить с помощью намагниченной стрелки.
Однако «увидеть» магнитное поле можно с помощью листа бумаги и простых железных опилок. На постоянный магнит необходимо положить лист бумаги, а опилки посыпать сверху, после чего железная стружка выстроится по замкнутым и непрерывным силовым линиям.
Направленность силовых линий определяется с помощью правила правой руки, которое также носит название «правило буравчика». Если взять проводник в руку таким образом, чтобы большой палец был по направлению тока (ток движется от минуса к плюсу), то остальные пальцы укажут направление силовых линий.
Геомагнетизм
Магнитные поля создаются движущимися зарядами, но тогда какова природа геомагнетизма? Наша планета обладает магнитным полем, которое защищает ее от вредного солнечного излучения, причем диаметр поля в несколько раз превосходит диаметр Земли. По форме оно неоднородно, на «солнечной стороне» сжимается под воздействием солнечного ветра, а с ночной стороны растягивается в виде длинного широкого хвоста.
Считается, что на нашей планете магнитные поля создаются движением токов в ядре, которое состоит из жидкого металла.
Это называется «гидромагнитное динамо». Когда вещество достигает температуры в несколько тысяч градусов по Кельвину, его проводимость становится достаточно высокой, чтобы движения, даже в среде со слабым намагничиванием, начали создавать электрические токи, которые, в свою очередь, и создают магнитные поля.
В локальных областях магнитные поля создаются намагниченными горными породами из верхних слоев планеты, образующих земную кору.
Движение полюсов
С 1885 года началась регистрация движения магнитных полюсов. За последний век южный полюс (полюс в Южном полушарии) переместился на 900 километров, а северный (арктический) магнитный полюс с 1973 года за 11 лет переместился на 120 км, а за следующие десять лет — еще на 150. Согласно последним данным, скорость смещения арктического полюса увеличилась с 10 километров в год до 60.
Хотя ученые знают, как создается магнитное поле Земли, повлиять на движение полюсов не могут и предполагают, что довольно скоро произойдет очередная инверсия.
Это естественный процесс, такое на планете не впервые, однако чем подобный процесс обернется для людей — неизвестно.
Только физика, только хардкор!
Перед вами — фрагмент очередной книги из лонг-листа премии научно-популярной литературы «Просветитель» 2017 года. Это «Только физика, только хардкор!» Дмитрия Побединского, выпущенная издательством АСТ в 2016 году. Мы выбрали вторую главу из третьего раздела, который называется «Тайны электричества». Из нее вы узнаете, что произойдет, если электричество исчезнет… нет, не из розеток, а вообще из нашей жизни.
Согласитесь, самое нужное в нашей жизни работает на электричестве: холодильник, плазма, приставки, кулер в офисе, электроблинницы, в конце концов… Серьезно, без электричества мы бы умерли! Ведь по нашим нервным клеткам протекают электрические импульсы. Сердце бьется благодаря им. Так что, если электричества не будет, наша жизнь станет просто невозможна.
Но все же давайте представим, что будет происходить во вселенной, если электричество вдруг исчезнет.
Тогда, конечно же, все электроприборы перестанут работать. Перестанут идти грозы, прекратится фотосинтез, да более того, остановится любая жизнь! Ведь многие процессы в клетках регулируются электричеством: синтез АТФ, проницаемость мембран, движение органелл. А в многоклеточных организмах вся нервная система устроена на электрических импульсах. Без этого мы не будем такими нервными, однако в живых мы тоже не останемся.
Магнитное поле
Но если углубиться в вопрос, все еще интереснее. Дело в том, что магнитное поле тоже возникает благодаря электрическим зарядам! Точнее, благодаря их движению.
Вокруг проводов с током всегда есть магнитное поле, так устроены электромагниты. Да даже в обычном магните поле создается электричеством, ведь электроны в атомах движутся, и вокруг них возникают маленькие магнитные поля, которые складываются в большое магнитное поле. Можно даже говорить о едином электромагнитном поле, а электричество и магнетизм — это разные его проявления.
Вы только представьте, как только исчезнет электричество, все магнитики с холодильников отвалятся. Замочки на сумочках станут бесполезны. Да и вообще исчезнет магнитное поле Земли. Из-за этого часть атмосферы снесет солнечным ветром, усилится доза радиации от солнца, получаемая людьми, перелетные птицы будут сбиваться с пути. В целом произойдет много мелких, но не самых приятных изменений.
Атомы
Но это еще не самое страшное. При исчезновении электрических зарядов мы все просто распадемся на атомы! Действительно, любое химическое соединение основывается на том, что «+» одних атомов притягиваются к «—» других атомов, и наоборот.
Именно благодаря этим силам образуется кристаллическая решетка и твердые тела сохраняют свою форму. Если эти силы исчезнут, то молекулы распадутся и все мы моментально превратимся в пыль!
К тому же сами атомы тоже распадутся, ведь исчезнет притяжение между отрицательными электронами и положительным ядром. Это будет настоящий апокалипсис!
Нейтронная материя
Но и это еще далеко не все! На все тела во вселенной всегда действует гравитация. Отдельные составляющие притягиваются друг к другу, поэтому гравитация старается сжать тела. Этому обычно противостоит отталкивание электронов в атомах, так как они имеют одинаковый заряд. Но если эта сдерживающая сила исчезнет, гравитация может сжать любое тело до неимоверно микроскопических размеров. В результате мы получим настолько плотную материю, что одна чайная ложка ее будет весить как 25000 останкинских телебашен.
Такая материя называется нейтронной. Дальнейшему сжатию препятствует отталкивание нейтронов атомов, но это силы уже другой природы, не электрической.
Астрономы обнаружили в далеком космосе много объектов из такой материи и назвали их нейтронными звездами. Так что если исчезнет электричество, то мы все станем маленькими звездочками… в каком-то смысле.
Фотоны
Но все-таки увидеть красоту всей этой катастрофы мы не сможем. И не только потому, что все наши атомы
развалятся. Дело в том, что все фотоны, частицы света, исчезнут!
Согласно современным представлениям, поля, электромагнитные и прочие, представляют собой концентрации виртуальных частиц. Электроны, протоны, нейтроны перекидываются виртуальными частицами и таким образом отталкиваются или притягиваются. И каждому виду поля соответствуют свои виртуальные частицы. У электромагнитного поля это фотоны, частицы света. То есть раз электромагнитное поле исчезнет, то исчезнут и фотоны, исчезнет свет. Только представьте себе это: тьма поглотит всю вселенную от края до края…
Темная материя
К счастью, электромагнитные взаимодействия вряд ли исчезнут.
Экспериментально еще не удалось доказать, что они могут куда-то деться.
Но стоит отметить, что существует материя, которая не восприимчива к электромагнетизму. Фотоны спокойно проходят сквозь нее, она для них абсолютно прозрачна. Поэтому ее называют темной материей. Вполне может быть, что мы полностью окружены темной материей. Но ее частицы не отталкиваются и не притягиваются к нашим атомам, поэтому пролетают сквозь нас абсолютно незаметно. Ведь причина, по которой один человек не может пройти сквозь другого, — это электрическое отталкивание электронных оболочек. Более того, благодаря электричеству ни один человек не может прикоснуться к другому: поднесите ладонь к другому человеку — ваши электроны будут отталкиваться от его электронов. А вот если бы мы состояли из темной материи, электричество для нас не играло бы никакой роли. И если бы оно исчезло, мы бы взяли попкорн и с удовольствием наблюдали за этим зрелищем.
Подробнее см.:
Побединский, Дмитрий. Только физика, только хардкор! — М.
: Издательство АСТ, 2016. — 320 с.
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
электромагнетизм — Если постоянный ток может создавать постоянное магнитное поле, то почему нам нужно изменяющееся магнитное поле, чтобы индуцировать ток?
спросил
Изменено 10 месяцев назад
Просмотрено 5к раз
$\begingroup$
Электроны, только перемещающиеся из отрицательного состояния в положительное, способны создать магнитное поле, почему магнитное поле должно постоянно изменяться, чтобы индуцировать ток? Если я пропускаю одно и то же магнитное поле через катушку, почему ток не течет?
- электромагнетизм
$\endgroup$
3
$\begingroup$
Один из ответов на вопрос «почему?» заключается в том, что именно об этом говорят уравнения Максвелла, и они идеально моделируют имеющиеся у нас данные о классических электромагнитных взаимодействиях.
В частности форма :
$$ \nabla\times E = -\frac{\partial B}{\partial t}, \;\;\text{Закон индукции Фарадея} $$
Изменение электрического поле в пространстве зависит от изменения магнитного поля во времени. Поскольку ток возникает только при передаче электрического заряда, если производная по времени равна нулю, то электрическое поле, которое может перемещать электроны или ионы для создания тока, будет равно нулю.
Обратите внимание, что это закон, то есть аксиоматическое утверждение, полученное из данных наблюдений.
$\endgroup$
1
$\begingroup$
Магнитное поле создает ток в проводе, толкая электроны в определенном направлении до тех пор, пока электроны не сжимаются и их электростатическое отталкивание не противостоит магнитной движущей силе; достигается равновесие, ток отсутствует. Провод в постоянном магнитном поле всегда достигает состояния равновесия, при котором ток в проводе отсутствует.
Это полностью отличается от причины, по которой ток создает магнитное поле, обусловленной теорией относительности. Хотя интуитивно они могут показаться связанными, факты изменения магнитных полей, создающих ток, и тока, создающего магнитные поля, не имеют ничего общего друг с другом.
$\endgroup$
$\begingroup$
Если я пропускаю одно и то же магнитное поле через катушку, почему ток не течет?
Когда вы вводите магнитное поле в катушку, магнитное поле будет меняться. Таким образом, начальный ток будет запущен .
Ток перестанет течь из-за ненулевого электрического сопротивления катушки/цепи.
Я считаю, что сверхпроводящие катушки будут поддерживать начальный ток бесконечно, но у меня нет личного опыта в этом.
$\endgroup$
$\begingroup$
Это распространенное заблуждение, что вы думаете, что магнитное поле не меняется. Даже если магнитное поле не меняется в пространстве (свое положение), оно изменяется во временном измерении.
Это изменение магнитного поля во временном измерении необходимо для индукции тока.
$\endgroup$
1
Зарегистрируйтесь или войдите в систему
Зарегистрироваться через Facebook
Зарегистрируйтесь, используя адрес электронной почты и пароль
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Опубликовать как гость
Электронная почта
Требуется, но не отображается
Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie
электромагнетизм — Почему вокруг провода, подключенного к электричеству дома, нет магнитного поля?
Существует ряд причин, по которым вы не можете обнаружить магнитное поле из-за сетевого кабеля, по которому течет ток.
Прежде всего, полезно знать некоторые характеристики и положение магнитометра в смартфоне.
Типичный датчик магнитометра смартфона основан на эффекте Холла и имеет диапазон около $\pm 5 \,\rm мТ$ с частотой дискретизации, которая может варьироваться от примерно $8$ выборок в секунду до $100$ выборок в секунду. .
Если вы попытались обнаружить магнитное поле непосредственно в сети, то вы должны понимать, что вы конкурируете с другими (более сильными) статическими магнитными полями, которые присутствуют, включая магнитное поле Земли.
Это типичный дисплей, и расположение основного кабеля рядом с телефоном может не изменить направление магнитного поля в заметной степени.
Магнитное поле, которое вы пытаетесь обнаружить, изменяется с частотой $50\,\rm Гц$.
Шагом вперед было бы получить приложение, которое увеличивает чувствительность отображаемого магнитного поля.
Начальный дисплей может выглядеть так, учитывая, что я исключил дисплеи для других датчиков, которые содержатся в смартфоне.
На этом дисплее показана одна из проблем с обнаружением флуктуаций магнитного поля сети на частоте $50\,\rm Гц$ — частота дискретизации $38\,\rm Гц$.
Однако x,y и z-компоненты магнитного поля отображаются с приемлемой чувствительностью.
Хотя вы можете использовать этот экран, активируйте экран изменения времени (верхний правый значок), чтобы создать экран с магнитным полем как функцией времени.
С помощью этого экрана и ювелирной (маленькой) отвертки (не используйте постоянный магнит в , а не в ) вы можете определить положение магнитометра, наблюдая за дисплеем, перемещая отвертку по экрану телефон.
Установка обесточенного сетевого кабеля приведет к нарушению показаний магнитометра до того, как он установится.
Включение тока (к электрическому чайнику) дает ожидаемый эффект.
