Site Loader
Posted on 04.07.2023

Магнитное поле — что это, определение и ответ

Электрические и магнитные явления связаны, так как имеют общую природу ― электромагнитное поле. Движение электрических зарядов всегда создает магнитное поле, а магнитное поле, в свою очередь, всегда вызывает перемещение электрических зарядов.

Так как ток ― это направленное перемещение электрических зарядов, то протекание тока в проводнике всегда создает магнитное поле вокруг проводника.

Линии магнитного поля, которое создается проводниками с электрическим током.

Для изображения магнитных полей используют магнитные силовые линии ― линии, на которых модуль вектора магнитной индукции одинаков и равен В, а сам вектор магнитной индукции \(\overrightarrow{B}\) направлен по касательной к линии. Линии магнитной индукции всегда замкнуты.

Для обозначения направлений движения тока и направлений магнитных силовых линий, помимо стрелок «вправо» → и «влево» ←, используются знаки «от нас» ― ⊗ или ⊕ (как торец оперения стрелы, летящей от нас), и «к нам» • или ⊙ (как острие летящей на нас стрелы).

Чтобы определить направление вектора магнитной индукции \(\overrightarrow{B}\), которое создает ток, протекающий в прямом проводнике, используется правило правого винта: если представить, что вкручиваешь винт по направлению тока ― то направление вращения винта покажет направление вектора магнитной индукции.

Магнитное поле, которое создает ток в прямом проводнике, представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику. При этом, некоторая область магнитного поля всегда направлена на нас, а другая ― от нас.

Чтобы определить направление вектора магнитной индукции \(\overrightarrow{B}\), которое создает ток, в круговом проводнике или витках катушки, используется правило правого винта: если ток вращается по часовой стрелке, то магнитное поле будет направленно «от нас». Если ток течет против часовой стрелки, то ток будет направлен «на нас».

Сила Ампера ― сила, действующая на проводник с током со стороны магнитного поля. Сила ампера равна FA = IBLsinα, где

FA ― сила Ампера [Н];

I ― сила тока в проводнике [A];

B ― магнитная индукция [Тл];

L ― длина проводника [м];

sinα ― синус угла между проводником и вектором магнитной индукции.

Сила Ампера максимальна, если между проводником и вектором магнитной индукции угол равен α = 90°, так как sinα = sin90° = 1 и FA = IBLsin90° = IBL.

Если проводник расположен параллельно вектору магнитной индукции, т. е. α = 0° ― сила Ампера отсутствует, так как sinα = sin0° = 0 и FA = IBLsin0° = 0.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки: если ладонь расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, а четыре пальца указывали направление тока ― то противопоставленный большой палец укажет направление силы Ампера.

Ток, протекающий в проводнике, создает магнитное поле. Если рядом расположен еще один проводник, в котором протекает ток ― то второй проводник оказывается в магнитном поле, которое создает первый. На проводник в магнитном поле действует сила Ампера, в результате чего проводники с током или притягиваются, или отталкиваются друг от друга.

Пусть в проводниках 1 и 2 токи текут в одном направлении. Тогда первый проводник создает магнитное поле, направленное против часовой стрелки. В области, близлежащей к проводнику 2 это поле направлено перпендикулярно проводнику и от него. Согласно правилу левой руки, сила Ампера, которая действует со стороны магнитного поля, создаваемого проводником 1 на проводник с током 2, F1-2 направлено в сторону проводника 1.

Проводник 2 действует на проводник 1 аналогично, и сила ампера, с которой магнитное поле проводника 2 действует на проводник 1 F2-1 направлена в сторону проводника 2.

Таким образом, силы Ампера, с которым действуют проводники друг на друга ― F1-2 и F2-1 направлены навстречу друг другу и проводники притягиваются.

Пусть теперь ток в проводнике 2 течет в том же направлении, а ток в проводнике 1 ― в противоположном. Магнитное поле, которое создает проводник 1, будет направлено по часовой стрелке, а в ближайшей к проводнику 2 области ― на нас. Согласно правилу левой руки, такое магнитное поле создает силу Ампера, направленную от проводника 1.

Магнитное поле, которое создает проводник 2, будет направлено как в первом случае, но из-за того, что ток в проводнике 1 течет в противоположную сторону, сила Ампера F2-1 будет направлена от проводника 2.

Силы Ампера, с которым действуют проводники друг на друга ― F1-2 и F2-1 направлены в разные стороны и проводники отталкиваются.

Сила Лоренца ― сила, действующая, на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Сила Лоренца равна FЛ = qBvsinα, где

FЛ ― сила Лоренца [Н];

q ― заряд частицы [Кл];

v ― скорость частицы [м/с];

B ― индукция магнитного поля [Тл];

α ― угол, между вектором скорости частицы и вектором индукции магнитного поля.

Векторы силы Лоренца перпендикулярен вектору скорости частицы. Воздействуя, сила Лоренца изменяет только направление скорости, но не модуль.

Направление силы Лоренца для положительно заряженной частицы определяется по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии индукции магнитного поля входили в ладонь, а пальцы ― так, чтобы они указывали направление вектора скорости частицы, то противопоставленный большой палец укажет направление силы Лоренца.

Для отрицательно заряженной частицы (например, электрона) направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки ― а затем изменяется на противоположное.

Магнитное поле постоянного магнита. Магниты обладают собственным магнитным полем. Силовые линии магнита выходят из северного магнитного полюса (N) и входят в южный магнитный полюс (S).

Магнитные поля двух магнитов взаимодействуют друг с другом, переориентируя магниты так, чтобы магнитные линии выходили из северного магнитного полюса и входили в ближайший южный магнитный полюс. При этом одинаковые полюса двух магнитов, отталкиваются, а разные ― притягиваются.

что это такое, определение, виды, силовые линии

Магнитное поле — это поле, которое можно определить как пространство вокруг магнита, в котором действуют магнитные силы.

Как известно, электрический ток может оказывать различные действия, например, тепловые, химические и магнитные. Магнитное действие проявляется, например, в том, что между проводниками с электрическим током возникают силы взаимодействия, которые называются магнитными силами.

Магнитное взаимодействие

Еще в древности было замечено, что одни тела притягивают другие тела. Янтарь следует натирать, чтобы он притягивал к себе волосы или обрывки ткани, но магниты всегда притягивают, но только железные предметы. Древние люди также обнаружили, что магнит может заставить другое тело, сделанное из железа, приобрести магнитные свойства, если держать его достаточно близко к магниту. Они также заметили, что две стороны магнита имеют разные свойства — обращенные друг к другу магниты могут притягивать или отталкивать друг друга.

Уже в настоящее время мы знаем, что магнитное поле возникает между полюсами магнитного материала. Полюса бывают северными и южными. Вы, наверное, сами сталкивались с тем, что когда вы сводите два магнита вместе, они либо притягиваются, либо отталкиваются друг от друга. Это происходит потому, что магнитные полюса с разными названиями (север-юг) притягиваются, а полюса с одинаковыми названиями (север-север, юг-юг) отталкиваются.

Магнитное поле тела часто представляют в виде диаграммы линий поля. Если внести ферромагнитное тело в магнитное поле, оно выровняется вдоль линий поля. Ферромагниты — самые известные магниты, создающие постоянное магнитное поле.

Если мы поднесем некоторое количество железных скрепок к магниту, то заметим, что большинство скрепок скопятся на концах магнита (называемых полюсами), потому что магнитная сила там наибольшая. Однако в середине магнита она имеет наименьшее значение. Магнитные силы действуют в пространстве вокруг магнита и создают то самое магнитное поле.

Магнитное поле невидимо, но, используя железные опилки, вы можете наблюдать его эффекты (см. рисунок 1).

Рис. 1. Железные опилки расположены характерным образом — они образуют линии вокруг магнита. 
Эти линии показывают форму магнитного поля, которое возникло вокруг стержневого магнита.

Большая часть железных опилок скапливается возле полюсов, а остальные располагаются вдоль линий поля. Они представляют собой линии магнитного поля, которые окружают магнит. Железные опилки намагничиваются, т.е. приобретают магнитные свойства и становятся маленькими магнитами, которые притягивают друг друга.

Изображение линий магнитного поля для некоторых видов магнитов

Начнем с изображения силовых линий магнитного поля. Они используются для визуализации магнитного поля. Вне магнита линии поля всегда идут от северного полюса к южному. Поскольку магнитное поле является замкнутым полем, они должны двигаться с юга на север внутри магнита. Плотность линий поля дает информацию о силе магнитного поля; чем плотнее линии поля, тем больше напряженность магнитного поля.

Магнитное поле стержневого магнита

На рисунке 2 ниже показано магнитное поле стержневого магнита. Стержневой магнит является постоянным, и имеет северный и южный полюсы.

Рис. 2. Магнитное поле стержневого магнита

Если сравнить магнитное поле с электрическим, то вместо плюсового и минусового полюса есть северный и южный. На этом рисунке показан ход линий поля от северного до южного полюса. Здесь также видно, что плотность линий поля не является постоянной для стержневого магнита. На полюсах она выше, чем между полюсами. Это говорит о том, что магнитное поле сильнее непосредственно у полюсов, чем между полюсами.

Магнитное поле подковообразного магнита

Кроме стержневого магнита, существуют и другие формы постоянных магнитов. Одной из важных форм является подковообразный магнит, который может быть круглым или квадратным.

Рис. 3. Магнитное поле подковообразного магнита

Как видите, магнитное поле внутри подковы однородно (см. рисунок 3). Однородность означает, что магнитное поле постоянно и не зависит от местоположения. Однородное магнитное поле на диаграмме линий поля можно распознать по параллельным линиям поля, расположенным на одинаковом расстоянии. Поэтому напряженность магнитного поля в однородном магнитном поле одинакова в каждой точке.

Магнитное поле двух стержневых магнитов

Давайте посмотрим на другой пример магнитного поля (см. рисунок 4 ниже):

Рис. 4. Магнитное поле двух стержневых магнитов

Эти линии поля показывают, что два магнита с одинаковой полярностью отталкиваются друг от друга. Из этого можно сделать вывод, что одинаковые полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются.

Магнитное поле планеты Земля

Но какое отношение имеют полюса магнита к северу и югу Земли? Вы можете приблизиться к ответу, если спросите себя, как работает компас.

Рис. 5. Компас выравнивается по магнитному полю

Земля также имеет магнитное поле (см. рисунок 5), начало которого лежит на полюсах, т.е. на северном и южном полюсах. Стрелка компаса представляет собой постоянный стержневой магнит и выравнивается по этому полю. При этом северная часть стрелки компаса притягивается к южному полюсу магнитного поля Земли. Поэтому географический юг лежит на магнитном севере.

Магнитное поле проводника с электрическим током

Когда вы рассыпаете мелкие металлические опилки вокруг магнита и проводника, по которому течет электрический ток, они образуют определенные геометрические фигуры. Вы уже знаете, что это явление вызвано магнитным полем, создаваемым магнитом. Будет ли то же самое с проводником?

Наличие магнитного поля можно проверить с помощью магнитной стрелки, которая, как известно, является частью компаса. Как мы знаем, магнитная стрелка имеет два полюса: северный и южный. Линию, которая соединяет полюсы магнитной стрелки называют осью. я осью. Кроме того, мы знаем, что северный полюс магнитной стрелки указывает на южный магнитный полюс, а южный полюс стрелки указывает на северный магнитный полюс.

Рядом с магнитом он выравнивается по силовым линиям магнитного поля и указывает на южный полюс. С помощью магнитной стрелки определяются положения магнитных полюсов Земли и географические направления. Возникает ли магнитное поле только вокруг магнитов и Земли? Чтобы выяснить это, нужно провести эксперимент, которые отражает взаимодействие проводника с электрическим током и магнитной стрелки.

Опыт Эрстеда.

Для того, чтобы провести опыт, расположим проводник, который включён в электрическую цепь источника тока, над магнитной стрелкой параллельно её оси (см. рисунок 6).

Рис. 6. Взаимодействие проводника с электрическим током и магнитной стрелки

Отклонение магнитной стрелки возле проводника, по которому протекает электрический ток, указывает на наличие магнитного поля. Направление отклонения магнитной стрелки зависит от того, в каком направлении течет электрический ток. Эта связь была открыта Хансом Кристианом Эрстедом в 1820 году. Его опыт имел большое значение для развития учения об электромагнитных явлениях.

Таким образом можно вывести 3 следующих вывода:

  1. Магнитное поле существует вокруг любого проводника с электрическим током, т. е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле неразрывно связаны между собой.
  2. Направление силовых линий магнитного поля можно найти с помощью магнитной стрелки. Направление силовых линий магнитного поля зависит от того, в каком направлении течет электрический ток.
  3. Расположение силовых линий магнитного поля вокруг проводника с током зависит от формы проводника.

Поэтому вокруг неподвижных электрических зарядов существует только электрическое поле, а вокруг движущихся зарядов, т.е. электрического тока, существуют и электрическое, и магнитное поля. Магнитное поле возникает вокруг проводника, когда в нем возникает электрический ток, поэтому электрический ток следует рассматривать как источник магнитного поля. Выражения «магнитное поле электрического тока» или «магнитное поле, создаваемое электрическим током» следует понимать в этом смысле.

Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010. [2]

Изменит ли изменение формы проводника форму магнитного поля?

Силовые линии магнитного поля вокруг проводника, скрученного в петлю, уплотняются внутри него. Если проволоку намотать много раз, мы получим катушку, и железные опилки будут располагаться так же, как и вокруг магнита (см. рисунок 7).

Рисунок 7. Железные опилки отражают линии магнитного поля

Электромагниты и их применение

Существование магнитного поля вокруг проводника с электрическим током широко используется в технике и промышленности. Часто используются устройства, называемые электромагнитами. Электромагнит состоит из катушки, сердечника и источника напряжения (см. рисунок 8).

Рис. 8. Структура электромагнита

Ферромагнитный сердечник электромагнита играет важную роль. Внутри него создаются магнитные поля, которые усиливают магнитное поле катушки.

Мелкие изделия из ферромагнитных материалов сильнее всего притягиваются полюсами электромагнита. Таким образом, можно сделать вывод, что магнитное поле вокруг электромагнита похоже на магнитное поле стержневого магнита.

Применение электромагнитов.

Рис. 9. Электромагниты — это устройства, имеющие широкое практическое значение. Они используются буквально везде: от дверных замков, звонков и громкоговорителей до промышленного оборудования и высокоскоростных поездов, а также медицинской и исследовательской аппаратуры.

Электромагниты имеют различные применения. Например, на складах металлолома электромагнитные краны перемещают разбитые автомобили.

Также электромагниты используются в электрических замках. Когда электрический ток проходит через электромагнит, создается магнитное поле, которое сильно воздействует на металлическую (стальную) часть замка (ригеля). Это приводит к перемещению заслонки и открыванию двери. Когда дверь закрыта, соответствующим образом расположенная пружина перемещает ригель и блокирует замок. Замок можно открыть после повторного подключения электропитания.

Самые сильные электромагниты используются, в том числе, в ускорителях для управления движением частиц с высокой энергией. До недавнего времени магнитное поле, создаваемое токоведущими проводниками, управляло движением электронов в телевизионных кинескопах и компьютерных мониторах.

Список использованной литературы

  1. Сивухин Д. В. Общий курс физики. — Изд. 4-е, стереотипное. — М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2004. — Т. III. Электричество. — 656 с.
  2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

Геомагнитное поле | Определение, сила и факты

магнитное поле стержневого магнита

Смотреть все СМИ

Ключевые люди:
Стэнли Кейт Ранкорн Эдвард Сабин Иоганн фон Ламонт Бальфур Стюарт Сидней Чепмен
Похожие темы:
магнитосфера полярное странствие геомагнитная буря электроструйный основное геомагнитное поле

Посмотреть весь связанный контент →

геомагнитное поле , магнитное поле, связанное с Землей. Он в основном диполярный (т. Е. У него два полюса, геомагнитный северный и южный полюса) на поверхности Земли. Вдали от поверхности диполь искажается.

Понять геомагнитное поле Земли с помощью принципа динамо-эффекта

Посмотреть все видео к этой статье

В 1830-х годах немецкий математик и астроном Карл Фридрих Гаусс изучал магнитное поле Земли и пришел к выводу, что основная дипольная составляющая возникла внутри Земли, а не снаружи.

Он продемонстрировал, что дипольная составляющая представляет собой убывающую функцию, обратно пропорциональную квадрату радиуса Земли, вывод, который заставил ученых размышлять о происхождении магнитного поля Земли с точки зрения ферромагнетизма (как в гигантском стержневом магните), различных теорий вращения, и различные теории динамо. Ферромагнетизм и теории вращения, как правило, дискредитированы: ферромагнетизм, потому что точка Кюри (температура, при которой разрушается ферромагнетизм) достигается всего на 20 или около того километров (около 12 миль) под поверхностью, а теории вращения, потому что, по-видимому, не существует фундаментальной связи между массой в движение и связанное с ним магнитное поле. Большинство геомагнетиков занимаются различными теориями динамо, согласно которым источник энергии в ядре Земли вызывает самоподдерживающееся магнитное поле.

Устойчивое магнитное поле Земли создается многими источниками, как над, так и под поверхностью планеты. От ядра наружу к ним относятся геомагнитное динамо, намагниченность земной коры, ионосферное динамо, кольцевой ток, ток магнитопаузы, хвостовой ток, продольные токи и авроральные, или конвективные, электроджеты. Геомагнитное динамо является наиболее важным источником, потому что без поля, которое оно создает, другие источники не существовали бы. Недалеко от поверхности Земли влияние других источников становится таким же или более сильным, чем влияние геомагнитного динамо. В последующем обсуждении рассматривается каждый из этих источников и объясняются соответствующие причины.

Магнитное поле Земли подвержено изменениям во всех временных масштабах. Каждый из основных источников так называемого устойчивого поля претерпевает изменения, вызывающие переходные вариации или возмущения. Основное поле имеет два основных возмущения: квазипериодические инверсии и вековые вариации. Ионосферное динамо возмущается сезонными изменениями и изменениями солнечного цикла, а также солнечными и лунными приливными эффектами. Кольцевой ток реагирует на солнечный ветер (ионизированную атмосферу Солнца, которая расширяется в космос и несет с собой солнечное магнитное поле), усиливаясь при наличии соответствующих условий солнечного ветра.

С ростом кольцевого тока связано второе явление — магнитосферная суббуря, которая наиболее отчетливо проявляется в северном сиянии. Совершенно другой тип магнитного склонения вызывается магнитогидродинамическими (МГД) волнами. Эти волны представляют собой синусоидальные колебания электрического и магнитного полей, связанные с изменениями плотности частиц. Они являются средством передачи информации об изменениях электрических токов как внутри ядра Земли, так и в окружающей ее среде заряженных частиц. Каждый из этих источников вариации также обсуждается отдельно ниже.

Наблюдения за магнитным полем Земли

Представление поля

Электрические и магнитные поля создаются фундаментальным свойством материи — электрическим зарядом. Электрические поля создаются зарядами, покоящимися относительно наблюдателя, тогда как магнитные поля создаются движущимися зарядами. Эти два поля являются различными аспектами электромагнитного поля, силы, которая вызывает взаимодействие электрических зарядов.

Электрическое поле Е в любой точке вокруг распределения заряда определяется как сила, приходящаяся на единицу заряда, когда в эту точку помещается положительный пробный заряд. Для точечных зарядов электрическое поле направлено радиально от положительного заряда к отрицательному заряду.

Магнитное поле создается движущимися зарядами, т. е. электрическим током. Магнитная индукция B может быть определена аналогично E как пропорциональная силе на единицу силы полюса, когда тестовый магнитный полюс приближается к источнику намагничивания. Однако чаще его определяют уравнением силы Лоренца. Это уравнение утверждает, что сила, ощущаемая зарядом q , движущимся со скоростью v, равна F =

q (vx B ).

Оформите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту.

Подпишитесь сейчас

В этом уравнении жирным шрифтом обозначены векторы (количества, которые имеют как величину, так и направление), а нежирным шрифтом обозначены скалярные величины, такие как B , длина вектора B. X обозначает векторное произведение (т. е. вектор под прямым углом к ​​v и B, с длиной v B sin θ). Тета — это угол между векторами v и B. (B обычно называют магнитным полем, несмотря на то, что это название зарезервировано для величины H, которая также используется в исследованиях магнитных полей.) Для простого линейного тока поле имеет цилиндрическую форму вокруг тока. Направление поля зависит от направления тока, которое определяется как направление движения положительных зарядов. Правило правой руки определяет направление B, утверждая, что оно указывает в направлении пальцев правой руки, когда большой палец указывает в направлении тока.

В Международной системе единиц (СИ) электрическое поле измеряется скоростью изменения потенциала, вольт на метр (В/м). Магнитные поля измеряются в единицах тесла (Тл). Тесла является большой единицей для геофизических наблюдений, и обычно используется меньшая единица, нанотесла (нТл; один нанотесла равен 10

-9 тесла). Нанотесла эквивалентна одной гамме, единице, первоначально определенной как 10 −5 гаусс, которая является единицей измерения магнитного поля в системе сантиметр-грамм-секунда. И гаусс, и гамма по-прежнему часто используются в литературе по геомагнетизму, хотя они больше не являются стандартными единицами.

Как электрические, так и магнитные поля описываются векторами, которые могут быть представлены в различных системах координат, таких как декартова, полярная и сферическая. В декартовой системе вектор разлагается на три компоненты, соответствующие проекциям вектора на три взаимно ортогональные оси, которые обычно обозначаются как

x , y , z . В полярных координатах вектор обычно описывается длиной вектора в x — y , его азимутальный угол в этой плоскости относительно оси x и третья декартова компонента z . В сферических координатах поле описывается длиной вектора полного поля, полярным углом этого вектора от оси z и азимутальным углом проекции вектора на плоскость х — y .
В исследованиях магнитного поля Земли широко используются все три системы.

Номенклатура, используемая при изучении геомагнетизма для различных компонент векторного поля, представлена ​​на рисунке. B — вектор магнитного поля, F — величина или длина B. X , Y и Z — три декартовых компонента поля, обычно измеряемые относительно географической системы координат. X — на север, Y — на восток, и, завершая правую систему, Z — вертикально вниз к центру Земли. Величина поля в проекции на горизонтальную плоскость называется H . Эта проекция составляет угол D (для склонения) положительно измерен с севера на восток. Угол наклона,

I (для наклона), представляет собой угол, который вектор полного поля составляет по отношению к горизонтальной плоскости, и положителен для векторов ниже плоскости. Это дополнение обычного полярного угла сферических координат. (Географический и магнитный север совпадают вдоль «агонической линии». )

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ определение | Кембриджский словарь английского языка

Примеры магнитного поля

магнитное поле

Солнечные пятна — это места, где линий магнитного поля
полей выходят из-под поверхности Солнца.

Из ВРЕМЕНИ