Динамічний магнітне поле. Що є джерелом магнітного поля

Магнітне поле – область простору, де конфігурація бионов, передавачів всіх взаємодій, є динамічне, взаимоузгоджене обертання.

Напрямок дії магнітних сил збігається з віссю обертання біонів із застосуванням правила правого гвинта. Силова характеристика магнітного поля визначається частотою обертання біонів. Чим вища частота обертання, тим сильніше поле. Магнітне поле правильніше було б називати електродинамічним, так як воно виникає тільки при русі заряджених частинок, і діє тільки на заряди, що рухаються.

Пояснимо, чому магнітне поле динамічне. Щоб виникло магнітне поле, необхідно, щоб біони почали обертатися, а змусити їх обертатися може тільки заряд, що рухається, який буде притягувати один з полюсів біона. Якщо заряд не рухатиметься, то й бион не обертатиметься.

Магнітне поле формується лише навколо електричних зарядів, що перебувають у русі. Саме тому магнітне та електричне поле є, невід'ємними та разом формують електромагнітне поле. Компоненти магнітного поля взаємопов'язані та впливають один на одного, змінюючи свої властивості.

Властивості магнітного поля:

• Магнітне поле виникає під вплив рушійних зарядів електричного струму.
• У будь-якій точці магнітне поле характеризується вектором фізичної величини під назвою магнітна індукція, яка є силовою характеристикою магнітного поля.
• Магнітне поле може впливати тільки на магніти, на струмопровідні провідники і заряди, що рухаються.
• Магнітне поле може бути постійного та змінного типу
• Магнітне поле вимірюється лише спеціальними приладами і може бути сприйнятим органами почуттів людини.
• Магнітне поля є електродинамічною, оскільки породжується тільки при русі заряджених частинок і впливає тільки на заряди, що знаходяться в русі.
• Заряджені частинки рухаються перпендикулярною траєкторією.

Розмір магнітного поля залежить від швидкості зміни магнітного поля. Відповідно до цієї ознаки існують два види магнітного поля: динамічне магнітне поле та гравітаційне магнітне поле.Гравітаційне магнітне поле виникає лише поблизу елементарних частинок і формується залежно від особливостей будови цих частинок.

Магнітний момент виникає у тому випадку, коли магнітне поле впливає на струмопровідну раму. Іншими словами, магнітний момент це вектор, який розташований на ту лінію, яка йде перпендикулярно до рами.

Магнітне поле можна зобразити графічно за допомогою магнітних силових ліній. Ці лінії проводяться в такому напрямку, так щоб напрям сил поля збігся з напрямом силової лінії. Магнітні силові лінії є безперервними та замкнутими одночасно. Напрямок магнітного поля визначається за допомогою магнітної стрілки. Силові лінії визначають також полярність магніту, кінець із виходом силових ліній це північний полюс, а кінець, із входом цих ліній, це південний полюс.

Подібно до того, як спокій електричний заряд діє на інший заряд за допомогою електричного поля, електричний струм діє на інший струм за допомогою магнітного поля. Дія магнітного поля на постійні магніти зводиться до дії його на заряди, що рухаються в атомах речовини та створюють мікроскопічні кругові струми.

Вчення про електромагнетизмзасноване на двох положеннях:

• магнітне поле діє на заряди, що рухаються, і струми;
• магнітне поле виникає навколо струмів і зарядів, що рухаються.

Взаємодія магнітів

Постійний магніт(або магнітна стрілка) орієнтується вздовж магнітного меридіана Землі. Той його кінець, що вказує на північ, називається північним полюсом(N), а протилежний кінець - південним полюсом(S). Наближаючи два магніти один до одного, зауважимо, що однойменні полюси їх відштовхуються, а різноіменні - притягуються ( Мал. 1 ).

Якщо поділити полюси, розрізавши постійний магніт на дві частини, то ми виявимо, що кожна з них теж матиме два полюси, Т. е. буде постійним магнітом ( Мал. 2 ). Обидва полюси - північний і південний - невіддільні один від одного, рівноправні.

Магнітне поле, створюване Землею або постійними магнітами, зображується, подібно до електричного поля, магнітними силовими лініями. Картину силових ліній магнітного поля будь-якого магніту можна отримати, поміщаючи над ним аркуш паперу, на якому насипано рівномірним шаром залізну тирсу. Потрапляючи в магнітне поле, тирса намагнічується - у кожної з них з'являється північний і південний полюси. Протилежні полюси прагнуть зблизитися один з одним, але цьому заважає тертя тирси об папір. Якщо постукати по паперу пальцем, тертя зменшиться і тирса притягнеться один до одного, утворюючи ланцюжки, що зображують лінії магнітного поля.

на Мал. 3 показано розташування в полі прямого магніту тирси і маленьких магнітних стрілок, що вказують напрямок ліній магнітного поля. За цей напрямок прийнято напрямок північного полюса магнітної стрілки.

Досвід Ерстеда. Магнітне поле струму

На початку ХІХ ст. датський вчений Ерстедзробив важливе відкриття, виявивши дія електричного струму на постійні магніти . Він розмістив довгий провід поблизу магнітної стрілки. При пропусканні дроту струму стрілка поверталася, прагнучи розташуватися перпендикулярно йому ( Мал. 4 ). Це можна пояснити виникненням навколо провідника магнітного поля.

Магнітні силові лінії поля, створеного прямим провідником зі струмом, є концентричними колами, розташованими в перпендикулярній до нього площині, з центрами в точці, через яку проходить струм ( Мал. 5 ). Напрямок ліній визначається правилом правого гвинта:

Якщо гвинт обертатиме у напрямку ліній поля, він рухатиметься у напрямку струму у провіднику .

Силовою характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції B . У кожній точці він спрямований щодо лінії поля. Лінії електричного поля починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних, а сила, що діє в цьому полі на заряд, спрямована по дотичній лінії в кожній її точці. На відміну від електричного лінії магнітного поля замкнуті, що пов'язано з відсутністю в природі «магнітних зарядів».

Магнітне поле струму принципово нічим відрізняється від поля, створеного постійним магнітом. У цьому сенсі аналогом плоского магніту є довгий соленоїд - котушка з дроту, довжина якої значно більша за її діаметр. Схема ліній створеного ним магнітного поля, зображена на Мал. 6 , аналогічна такою для плоского магніту ( Мал. 3 ). Кружочками позначені перерізи дроту, що утворює обмотку соленоїда. Струми, що точаться по дроту від спостерігача, позначені хрестиками, а струми протилежного напрямку - до спостерігача - позначені точками. Такі ж позначення прийняті і для ліній магнітного поля, коли вони перпендикулярні до площини креслення ( Мал. 7 а, б).

Напрямок струму в обмотці соленоїда та напрямок ліній магнітного поля всередині нього також пов'язані правилом правого гвинта, яке в цьому випадку формулюється так:

Якщо дивитися вздовж осі соленоїда, то струм у напрямку годинникової стрілки струм створює в ньому магнітне поле, напрямок якого збігається з напрямком руху правого гвинта ( Мал. 8 )

Виходячи з цього правила, легко збагнути, що у соленоїда, зображеного на Мал. 6 , Північним полюсом служить правий його кінець, а південним - лівий.

Магнітне поле всередині соленоїда є однорідним - вектор магнітної індукції має постійне значення (B = const). У цьому відношенні соленоїд подібний до плоского конденсатора, всередині якого створюється однорідне електричне поле.

Сила, що діє в магнітному полі на провідник зі струмом

Досвідченим шляхом було встановлено, що на провідник зі струмом у магнітному полі діє сила. В однорідному полі прямолінійний провідник довжиною l, яким тече струм I, розташований перпендикулярно вектору поля B, відчуває дію сили: F = I l B .

Напрямок сили визначається правилом лівої руки:

Якщо чотири витягнуті пальці лівої руки розташувати у напрямку струму в провіднику, а долоня перпендикулярно вектору B, то відставлений великий палець вкаже напрям сили, що діє на провідник (Мал. 9 ).

Слід зазначити, що сила, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі, спрямована не по дотичній до його силових ліній, подібно до електричної сили, а перпендикулярна їм. На провідник, розташований вздовж силових ліній, магнітна сила діє.

Рівняння F = IlBдозволяє надати кількісну характеристику індукції магнітного поля.

Ставлення не залежить від властивостей провідника та характеризує саме магнітне поле.

Модуль вектора магнітної індукції B чисельно дорівнює силі, що діє на розташований перпендикулярно до нього провідник одиничної довжини, яким тече струм силою один ампер.

У системі СІ одиницею індукції магнітного поля служить тесла (Тл):

Магнітне поле. Таблиці, схеми, формули

(Взаємодія магнітів, досвід Ерстеда, вектор магнітної індукції, напрямок вектора, принцип суперпозиції. Графічне зображення магнітних полів, лінії магнітної індукції. Магнітний потік, енергетична характеристика поля. Магнітні сили, сила Ампера, сила Лоренца. Рух заряджених частинок у магнітному. властивості речовини, гіпотеза Ампера)

Магнітне поле– це матеріальне середовище, через яке здійснюється взаємодія між провідниками зі струмом або зарядами, що рухаються.

Властивості магнітного поля:

Характеристики магнітного поля:

Для дослідження магнітного поля використовують пробний контур із струмом. Він має малі розміри, і струм в ньому набагато менше струму в провіднику, що створює магнітне поле. На протилежні сторони контуру зі струмом з боку магнітного поля діють сили, рівні за величиною, але направлені в протилежні сторони, оскільки напрямок сили залежить від напрямку струму. Точки застосування цих сил не лежать на одній прямій. Такі сили називають парою сил. Внаслідок дії пари сил контур не може рухатися поступально, він повертається навколо своєї осі. Обертальна дія характеризується моментом сил.

, де l–плече пари сил(відстань між точками докладання сил).

У разі збільшення струму в пробному контурі або площі контуру пропорційно збільшиться момент пари сил. Відношення максимального моменту сил, що діє на контур зі струмом, до величини сили струму в контурі та площі контуру є величина постійна для цієї точки поля. Називається вона магнітною індукцією.

, де
-магнітний моментконтур зі струмом.

Одиниця вимірумагнітної індукції - Тесла [Тл].

Магнітний момент контуру- Векторна величина, напрям якої залежить від напрямку струму в контурі і визначається по правилу правого гвинта: праву руку стиснути в кулак, чотири пальці направити у напрямку струму в контурі, тоді великий палець вкаже напрямок вектора магнітного моменту. Вектор магнітного моменту завжди перпендикулярний площині контуру.

За напрямок вектора магнітної індукціїприймають напрямок вектора магнітного моменту контуру, орієнтованого магнітному полі.

Лінія магнітної індукції- Лінія, дотична до якої в кожній точці збігається з напрямом вектора магнітної індукції. Лінії магнітної індукції завжди замкнуті, ніколи не перетинаються. Лінії магнітної індукції прямого провідниказі струмом мають вигляд кіл, розташованих у площині, перпендикулярній провіднику. Напрямок ліній магнітної індукції визначають за правилом правого гвинта. Лінії магнітної індукції кругового струму(витка зі струмом) також мають вигляд кіл. Кожен елемент витка завдовжки
можна як прямолінійний провідник, який створює своє магнітне поле. Для магнітних полів виконується принцип суперпозиції (незалежного додавання). Сумарний вектор магнітної індукції кругового струму окреслюється результат складання цих полів у центрі витка за правилом правого гвинта.

Якщо величина та напрям вектора магнітної індукції однакові в кожній точці простору, то магнітне поле називають однорідним. Якщо величина та напрямок вектора магнітної індукції в кожній точці не змінюються з часом, то таке поле називають постійним.

Величина магнітної індукціїу будь-якій точці поля прямо пропорційна силі струму в провіднику, що створює поле, обернено пропорційна відстані від провідника до цієї точки поля, залежить від властивостей середовища проживання і форми провідника, що створює поле.

, де
НА 2 ; Гн/м - магнітна постійна вакууму,

-відносна магнітна проникність середовища,

-абсолютна магнітна проникність середовища.

Залежно від величини магнітної проникності всі речовини поділяють на три класи:

При збільшенні абсолютної проникності середовища збільшується і магнітна індукція у цій точці поля. Відношення магнітної індукції до абсолютної магнітної проникності середовища – величина постійна для даної точки полі напруженістю.

.

Вектори напруженості та магнітної індукції збігаються у напрямку. Напруженість магнітного поля залежить від властивостей середовища.

Сила Ампера- Сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом.

Де l- Довжина провідника, - Кут між вектором магнітної індукції та напрямом струму.

Напрямок сили Ампера визначають за правилу лівої руки: ліву руку мають так, щоб складова вектора магнітної індукції, перпендикулярна провіднику, входила в долоню, чотири витягнутих пальця направити по струму, тоді відігнутий на 90 0 великий палець вкаже напрям сили Ампера.

Результат дії сили Ампера – рух провідника у цьому напрямі.

Е слі = 90 0 то F = max, якщо = 0 0 F = 0.

Сила Лоренца– сила дії магнітного поля на заряд, що рухається.

, де q - заряд, v - швидкість його руху, - Кут між векторами напруженості та швидкості.

Сила Лоренца завжди перпендикулярна векторам магнітної індукції та швидкості. Напрямок визначають за правилу лівої руки(пальці - за рухом позитивного заряду). Якщо напрям швидкості частки перпендикулярно лініям магнітної індукції однорідного магнітного поля, то частка рухається по колу без зміни кінетичної енергії.

Оскільки напрям сили Лоренца залежить від знака заряду, її використовують для поділу зарядів.

Магнітний потік– величина, що дорівнює числу ліній магнітної індукції, які проходять через будь-який майданчик, розташований перпендикулярно до ліній магнітної індукції.

, де - кут між магнітною індукцією та нормаллю (перпендикуляром) до площі S.

Одиниця виміру- Вебер [Вб].

Способи вимірювання магнітного потоку:

Зміна орієнтації майданчика в магнітному полі (зміна кута)

Зміна площі контуру, поміщеного в магнітне поле

Зміна сили струму, що створює магнітне поле

Зміна відстані контуру від джерела магнітного поля

Зміна магнітних властивостей середовища.

Ф арадей реєстрував електричний струм у контурі, що не містить джерела, але знаходився поряд з іншим контуром, що містить джерело. Причому струм у першому контурі виникав у таких випадках: при будь-якій зміні струму в контурі А, при відносному переміщенні контурів, при внесенні до контуру А залізного стрижня, при русі щодо контуру Б постійного магніту. Спрямований рух вільних зарядів (струм) виникає лише в електричному полі. Отже, магнітне поле, що змінюється, породжує електричне поле, яке і приводить в рух вільні заряди провідника. Це електричне поле називають індукованимабо вихровим.

Відмінності вихрового електричного поля від електростатичного:

Джерело вихрового поля - магнітне поле, що змінюється.

Лінії напруженості вихрового поля замкнуті.

Робота, що здійснюється цим полем з переміщення заряду по замкнутому контуру не дорівнює нулю.

Енергетичною характеристикою вихрового поля є не потенціал, а ЕРС індукції– величина, що дорівнює роботі сторонніх сил (сил не електростатичного походження) щодо переміщення одиниці заряду по замкнутому контуру.

.Вимірюється у Вольтах[В].

Вихрове електричне поле виникає при будь-якій зміні магнітного поля, незалежно від того, чи є замкнутий контур, що проводить, чи його немає. Контур дозволяє виявити вихрове електричне поле.

Електромагнітна індукція- це виникнення ЕРС індукції в замкнутому контурі за будь-якої зміни магнітного потоку через його поверхню.

ЕРС індукції у замкнутому контурі породжує індукційний струм.

.

Напрямок індукційного струмувизначають за правилу Ленца: індукційний струм має такий напрям, що створене ним магнітне поле протидіє будь-якій зміні магнітного потоку, що породив цей струм.

Закон Фарадея для електромагнітної індукції: ЕРС індукції в замкнутому контурі прямо пропорційна швидкості зміни магнітного потоку через поверхню обмежену контуром.

Т оки Фуко- Вихрові індукційні струми, що виникають у провідниках великих розмірів, поміщених в магнітне поле, що змінюється. Опір такого провідника мало, оскільки він має велике перетин S, тому струми Фуко може бути великими за величиною, у результаті провідник нагрівається.

Самоіндукція- Це виникнення ЕРС індукції в провіднику при зміні сили струму в ньому.

Провідник із струмом створює магнітне поле. Магнітна індукція залежить від сили струму, отже, власний магнітний потік теж залежить від сили струму.

, де L-коефіцієнт пропорційності, індуктивність.

Одиниця виміруіндуктивності - Генрі [Гн].

Індуктивністьпровідника залежить від його розмірів, форми та магнітної проникності середовища.

Індуктивністьзбільшується при збільшенні довжини провідника, індуктивність витка більша за індуктивність прямого провідника такої ж довжини, індуктивність котушки (провідника з великим числом витків) більше індуктивності одного витка, індуктивність котушки збільшується, якщо в неї вставити залізний стрижень.

Закон Фарадея для самоіндукції:
.

ЕРС самоіндукціїпрямо пропорційна швидкості зміни струму.

ЕРС самоіндукціїпороджує струм самоіндукції, який завжди перешкоджає будь-якій зміні струму в ланцюзі, тобто, якщо струм збільшується, струм самоіндукції спрямований у протилежний бік, при зменшенні струму в ланцюзі, струм самоіндукції спрямований у ту саму сторону. Чим більша індуктивність котушки, тим більше ЕРС самоіндукції виникає в ній.

Енергія магнітного полядорівнює роботі, яку здійснює струм для подолання ЕРС самоіндукції за час, поки струм зростає від нуля до максимального значення.

.

Електромагнітні коливання– це періодичні зміни заряду, сили струму та всіх характеристик електричного та магнітного полів.

Електрична коливальна система(Коливальний контур) складається з конденсатора і котушки індуктивності.

Умови виникнення коливань:

Систему треба вивести із стану рівноваги, для цього повідомляють заряд конденсатору. Енергія електричного поля зарядженого конденсатора:

.

Система має повертатися у стан рівноваги. Під дією електричного поля заряд переходить з однієї пластини конденсатора на іншу, тобто в ланцюзі виникає електричний струм, що йде по котушці. При збільшенні струму в котушці індуктивності виникає ЕРС самоіндукції, струм самоіндукції спрямований у протилежний бік. Коли струм у котушці зменшується, струм самоіндукції спрямований у той самий бік. Отже, струм самоіндукції прагнути повернути систему до стану рівноваги.

Електричний опір ланцюга має бути малим.

Ідеальний коливальний контурнемає опору. Коливання в ньому називають вільними.

Для будь-якого електричного ланцюга виконується закон Ома, згідно з яким ЕРС, що діє в контурі, дорівнює сумі напруги на всіх ділянках ланцюга. У коливальному контурі джерела струму немає, але в котушці індуктивності виникає ЕРС самоіндукції, яка дорівнює напрузі на конденсаторі.

Висновок: заряд конденсатора змінюється за гармонічним законом.

Напруга на конденсаторі:
.

Сила струму в контурі:
.

Величина
- Амплітуда сили струму.

Відмінність від заряду на
.

Період вільних коливань у контурі:

Енергія електричного поля конденсатора:

Енергія магнітного поля котушки:

Енергії електричного та магнітного полів змінюються за гармонічним законом, але фази їх коливань різні: коли енергія електричного поля максимальна, енергія магнітного поля дорівнює нулю.

Повна енергія коливальної системи:
.

У ідеальному контуріповна енергія не змінюється.

У процесі коливань енергія електричного поля повністю перетворюється на енергію магнітного поля і навпаки. Значить енергія у будь-який час дорівнює або максимальної енергії електричного поля, або максимальної енергії магнітного поля.

Реальний коливальний контурмістить опір. Коливання в ньому називають загасаючими.

Закон Ома набуде вигляду:

За умови, що загасання мало (квадрат власної частоти коливань набагато більше квадрата коефіцієнта загасання) логарифмічний декремент загасання:

При сильному згасанні (квадрат власної частоти коливань менше квадрата коефіцієнта коливань):

Це рівняння визначає процес розрядки конденсатора на резистор. За відсутності індуктивності коливань не виникне. За таким законом змінюється напруга на обкладках конденсатора.

Повна енергіяв реальному контурі зменшується, тому що на опір при проходженні струму виділяється теплота.

Перехідний процес– процес, що виникає в електричних ланцюгах під час переходу від одного режиму роботи до іншого. Оцінюється часом ( ), протягом якого параметр, що характеризує перехідний процес зміниться в раз.

Для контура з конденсатором та резистором:
.

Теорія Максвелла про електромагнітне поле:

1 положення:

Будь-яке змінне електричне поле породжує вихрове магнітне. Змінне електричне поле було названо Максвеллом струмом зміщення, так як воно подібно до звичайного струму викликає магнітне поле.

Для виявлення струму зміщення розглядають проходження струму системою, в яку включений конденсатор з діелектриком.

Щільність струму усунення:
. Щільність струму спрямована у бік зміни напруженості.

Перше рівняння Максвелла:
- Вихрове магнітне поле породжується як струмами провідності (які рухаються електричними зарядами) так і струмами зміщення (змінним електричним полем Е).

2 положення:

Будь-яке змінне магнітне поле породжує вихрове електричне поле – основний закон електромагнітної індукції.

Друге рівняння Максвелла:
- пов'язує швидкість зміни магнітного потоку крізь будь-яку поверхню та циркуляцію вектора напруженості електричного поля, що виникає при цьому.

Будь-який провідник зі струмом створює у просторі магнітне поле. Якщо постійний струм (не змінюється з часом), то і пов'язане з ним магнітне поле теж постійне. Струм, що змінюється створює змінне магнітне поле. Усередині провідника із струмом існує електричне поле. Отже, електричне поле, що змінюється, створює магнітне поле, що змінюється.

Магнітне поле вихрове, тому що лінії магнітної індукції завжди замкнуті. Величина напруженості магнітного поля Н пропорційна швидкості зміни напруженості електричного поля . Напрямок вектору напруженості магнітного поля пов'язано із зміною напруженості електричного поля правилом правого гвинта: праву руку стиснути в кулак, великий палець направити у бік зміни напруженості електричного поля, тоді зігнуті 4 пальці вкажуть напрямок ліній напруженості магнітного поля.

Будь-яке магнітне поле, що змінюється, створює вихрове електричне поле., лінії напруженості якого замкнуті і розташовані в площині перпендикулярної напруженості магнітного поля.

Величина напруженості Е вихрового електричного поля залежить від швидкості зміни магнітного поля . Напрямок вектора пов'язаний із напрямом зміни магнітного підлогу Н правилом лівого гвинта: ліву руку стиснути в кулак, великий палець направити у бік зміни магнітного поля, зігнуті чотири пальці вкажуть напрямок ліній напруженості вихрового електричного поля.

Сукупність пов'язаних один з одним вихрових електричного та магнітного полів представляють електромагнітне поле. Електромагнітне поле залишається у місці зародження, а поширюється у просторі як поперечної електромагнітної хвилі.

Електромагнітна хвиля– це поширення у просторі пов'язаних друг з одним вихрових електричного і магнітного полів.

Умови виникнення електромагнітної хвилі- Рух заряду з прискоренням.

Рівняння електромагнітної хвилі:

- циклічна частота електромагнітних коливань

t- час від початку коливань

l-відстань від джерела хвилі до цієї точки простору

- швидкість поширення хвилі

Час руху хвилі від джерела до цієї точки.

Вектори Е і Н електромагнітної хвилі перпендикулярні один одному і швидкості поширення хвилі.

Джерело електромагнітних хвиль– провідники, якими протікають швидкозмінні струми (макроизлучатели), і навіть збуджені атоми і молекули (микроизлучатели). Чим більша частота коливань, тим краще випромінюються у просторі електромагнітні хвилі.

Властивості електромагнітних хвиль:

Усі електромагнітні хвилі – поперечні

В однорідному середовищі електромагнітні хвилі поширюються із постійною швидкістю, яка залежить від властивостей середовища:

- відносна діелектрична проникність середовища

- діелектрична постійна вакууму,
Ф/м, Кл 2/нм 2

- відносна магнітна проникність середовища

- магнітна постійна вакууму,
НА 2 ; Гн/м

Електромагнітні хвилі відбиваються від перешкод, поглинаються, розсіюються, заломлюються, поляризуються, дифрагують, інтерферують.

Об'ємна щільність енергіїелектромагнітного поля складається з об'ємних щільностей енергії електричного та магнітного полів:

Щільність потоку енергії хвиль – інтенсивність хвилі:

-вектор Умова-Пойнтінга.

Всі електромагнітні хвилі розташовані в ряд за частотами або довжинами хвиль (
). Цей ряд – шкала електромагнітних хвиль.

Низькочастотні коливання. 0 - 10 4 Гц. Отримують у генераторах. Вони погано випромінюються

Радіохвилі. 10 4 - 10 13 Гц. Випромінюються твердими провідниками, якими проходять швидкозмінні струми.

Інфрачервоне випромінювання– хвилі, що випромінюються всіма тілами при температурі понад 0 К, завдяки внутрішньоатомним та всередині молекулярним процесам.

Видиме світло- хвилі, що впливають на око, викликаючи зорове відчуття. 380-760 нм

Ультрафіолетове випромінювання. 10 – 380 нм. Видимий світло і УФ виникають при зміні руху електронів зовнішніх оболонок атома.

Рентгенівське випромінювання. 80 - 10-5 нм. Виникає за зміни руху електронів внутрішніх оболонок атома.

Гамма-випромінювання. Виникає під час розпаду ядер атомів.

Магнітне поле та його характеристики. При проходженні електричного струму провідником навколо нього утворюється магнітне поле. Магнітне поле є одним із видів матерії. Воно володіє енергією, яка проявляє себе у вигляді електромагнітних сил, що діють на окремі електричні заряди, що рухаються (електрони та іони) і на їх потоки, тобто електричний струм. Під впливом електромагнітних сил заряджені частинки, що рухаються, відхиляються від свого первісного шляху в напрямку, перпендикулярному полю (рис. 34). Магнітне поле утворюєтьсятільки навколо електричних зарядів, що рухаються, і його дія поширюється теж лише на заряди, що рухаються. Магнітне та електричні полянерозривні і утворюють спільно єдине електромагнітне поле. Будь-яка зміна електричного поляпризводить до появи магнітного поля і навпаки, будь-яка зміна магнітного поля супроводжується виникненням електричного поля. Електромагнітне полепоширюється із швидкістю світла, тобто 300 000 км/с.

Графічний зображення магнітного поля.Графічно магнітне поле зображують магнітними силовими лініями, які проводять так, щоб напрямок силової лінії в кожній точці поля збігався з напрямком сил поля; магнітні силові лінії завжди є безперервними та замкнутими. Напрямок магнітного поля в кожній точці можна визначити за допомогою магнітної стрілки. Північний полюс стрілки завжди встановлюється у бік дії сил поля. Кінець постійного магніту, з якого виходять силові лінії (рис. 35 а), прийнято вважати північним полюсом, а протилежний кінець, в який входять силові лінії, - південним полюсом (силові лінії, що проходять всередині магніту, не показані). Розподіл силових ліній між полюсами плоского магніту можна виявити за допомогою сталевої тирси, насипаної на аркуш паперу, покладений на полюси (рис. 35, б). Для магнітного поля в повітряному зазорі між двома паралельно розташованими різноіменними полюсами постійного магніту характерний рівномірний розподіл силових магнітних ліній (рис. 36) (силові лінії, що проходять усередині магніту, не показані).

Мал. 37. Магнітний потік, що пронизує котушку при перпендикулярному (а) і похилому (б) її положеннях щодо напрямку магнітних силових ліній.

Для більш наочного зображення магнітного поля силові лінії мають рідше або густіше. У тих місцях, де магнітне роль сильніше, силові лінії розташовують ближче один до одного, там же, де воно слабше, - далі один від одного. Силові лінії ніде не перетинаються.

У багатьох випадках зручно розглядати магнітні силові лінії як деякі пружні розтягнуті нитки, які прагнуть скоротитися, а також взаємно відштовхуються одна від одної (мають взаємний бічний розпір). Таке механічне уявлення про силові лінії дозволяє наочно пояснити виникнення електромагнітних сил при взаємодії магнітного поля та Провідника зі струмом, а також двох магнітних полів.

Основними характеристиками магнітного поля є магнітна індукція, магнітний потік, магнітна проникність та напруженість магнітного поля.

Магнітна індукція та магнітний потік.Інтенсивність магнітного поля, т. е. здатність його виконувати роботу, визначається величиною, званої магнітної індукцією. Чим сильніше магнітне поле, створене постійним магнітом або електромагнітом, тим більшу індукцію воно має. Магнітну індукцію можна характеризувати щільністю силових магнітних ліній, тобто числом силових ліній, що проходять через площу 1 м 2 або 1 см 2 , розташовану перпендикулярно магнітному полю. Розрізняють однорідні та неоднорідні магнітні поля. У однорідному магнітному полі магнітна індукція у кожній точці поля має однакове значення та напрямок. Однорідним може вважатися поле в повітряному зазорі між різними полюсами магніту або електромагніту (див.рис.36) при деякому віддаленні від його країв. Магнітний потік Ф, який проходить через будь-яку поверхню, визначається загальним числом магнітних силових ліній, що пронизують цю поверхню, наприклад котушку 1 (рис. 37, а), отже, в однорідному магнітному полі

Ф = BS (40)

де S - площа поперечного перерізу поверхні, якою проходять магнітні силові лінії. Звідси випливає, що в такому полі магнітна індукція дорівнює потоку, поділеному на площу поперечного перерізу S:

B = Ф/S (41)

Якщо яка-небудь поверхня розташована похило по відношенню до напрямку магнітних силових ліній (рис. 37, б), то потік, що пронизує її, буде менше, ніж при перпендикулярному її положенні, тобто Ф 2 буде менше Ф 1 .

У системі одиниць СІ магнітний потік вимірюється у веберах (Вб), ця одиниця має розмірність В*с (вольт-секунда). Магнітна індукція у системі одиниць СІ вимірюється в теслах (Тл); 1 Тл = 1 Вб/м2.

Магнітна проникність.Магнітна індукція залежить не тільки від сили струму, що проходить прямолінійним провідником або котушкою, але і від властивостей середовища, в якому створюється магнітне поле. Величиною, що характеризує магнітні властивості середовища, є абсолютна магнітна проникність? а. Одиницею її виміру є генрі на метр (1 Гн/м = 1 Ом*с/м).
У середовищі з більшою магнітною проникністю електричний струм певної сили створює магнітне поле з більшою індукцією. Встановлено, що магнітна проникність повітря та всіх речовин, за винятком феромагнітних матеріалів (див. § 18), має приблизно те саме значення, що й магнітна проникність вакууму. Абсолютну магнітну проникність вакууму називають магнітною постійною, ? про = 4? * 10 -7 Гн/м. Магнітна проникність феромагнітних матеріалів у тисячі і навіть десятки тисяч разів більша за магнітну проникність неферомагнітних речовин. Відношення магнітної проникності? а якоїсь речовини до магнітної проникності вакууму? про називають відносною магнітною проникністю:

? =? а/? о (42)

Напруженість магнітного поля. І не залежить від магнітних властивостей середовища, але враховує вплив сили струму і форми провідників на інтенсивність магнітного поля в даній точці простору. Магнітна індукція та напруженість пов'язані ставленням

H = B/? а = B/(?? о) (43)

Отже, у середовищі з постійною магнітною проникністю індукція магнітного поля пропорційна його напруженості.
Напруга магнітного поля вимірюється в амперах на метр (А/м) або амперах на сантиметр (А/см).

Тема: Магнітне поле

Підготував: Байгарашев Д.М.

Перевірила: Габдулліна А.Т.

Магнітне поле

Якщо два паралельно розташованих провідника під'єднати до джерела струму так, щоб по них пройшов електричний струм, то залежно від напрямку струму в них провідники або відштовхуються або притягуються.

Пояснення цього явища можливе з позиції виникнення навколо провідників особливого виду матерії – магнітного поля.

Сили, з якими взаємодіють провідники зі струмом, називаються магнітними.

Магнітне поле- це особливий вид матерії, специфічною особливістю якої є вплив на електричний заряд, що рухається, провідники зі струмом, тіла, що володіють магнітним моментом, з силою, яка залежить від вектора швидкості заряду, напрямки сили струму в провіднику і від напрямку магнітного моменту тіла.

Історія магнетизму сягає корінням у глибоку давнину, до античних цивілізацій Малої Азії. Саме на території Малої Азії в Магнезії знаходили гірську породу, зразки якої притягувалися один до одного. За назвою місцевості такі зразки стали називати "магнетиками". Будь-який магніт у формі стрижня чи підкови має два торці, які називаються полюсами; саме в цьому місці найсильніше і виявляються його магнітні властивості. Якщо підвісити магніт на нитці, один полюс завжди вказуватиме на північ. На цьому принципі засновано компас. Повернений на північ полюс вільно висить магніту називається північним полюсом магніту (N). Протилежний полюс називається південним полюсом (S).

Магнітні полюси взаємодіють один з одним: однойменні полюси відштовхуються, а різноіменні – притягуються. Аналогічно концепції електричного поля, що оточує електричний заряд, вводять уявлення про магнітне поле навколо магніту.

У 1820 р. Ерстед (1777-1851) виявив, що магнітна стрілка, розташована поряд з електричним провідником, відхиляється, коли по провіднику тече струм, тобто навколо провідника зі струмом створюється магнітне поле. Якщо взяти рамку зі струмом, то зовнішнє магнітне поле взаємодіє з магнітним полем рамки і виявляє на неї орієнтуючу дію, тобто існує таке положення рамки, при якому зовнішнє магнітне поле надає на неї максимальну обертальну дію, і існує положення, коли момент, що обертає сил дорівнює нулю.

Магнітне поле в будь-якій точці можна охарактеризувати вектором, який називається вектор магнітної індукціїабо магнітною індукцієюу точці.

Магнітна індукція - це векторна фізична величина, що є силовою характеристикою магнітного поля в точці. Вона дорівнює відношенню максимального механічного моменту сил, що діють на рамку зі струмом, поміщену в однорідне поле, до твору сили струму в рамці на її площу.

За напрямок вектора магнітної індукції приймається напрям позитивної нормалі до рамки, яке пов'язане зі струмом в рамці правилом правого гвинта, при механічному моменті, що дорівнює нулю.

Так само, як зображували лінії напруженості електричного поля, зображують лінії індукції магнітного поля. Лінія індукції магнітного поля - уявна лінія, дотична до якої збігається з напрямком у точці.

Напрями магнітного поля в даній точці можна визначити ще як напрямок, який вказує

північний полюс стрілки компаса, поміщений у цю точку. Вважають, лінії індукції магнітного поля спрямовані від північного полюса до південного.

Напрямок ліній магнітної індукції магнітного поля, створеного електричним струмом, що тече прямолінійним провідником, визначається правилом свердла або правого гвинта. За напрямок ліній магнітної індукції приймається напрямок обертання головки гвинта, який би забезпечував поступальний його рух у напрямку електричного струму (рис. 59).

де n 01 = 4 Пі 10 -7 с/(А м). - магнітна стала, R - відстань, I - сила струму в провіднику.

На відміну від ліній напруженості електростатичного поля, що починаються на позитивному заряді та закінчуються на негативному, лінії індукції магнітного поля завжди замкнуті. Магнітного заряду аналогічно електричного заряду не виявлено.

За одиницю індукції приймається одна тесла (1 Тл) - індукція такого однорідного магнітного поля, в якому на рамку площею 1 м 2 по якій тече струм в 1 А, діє максимальний обертовий механічний момент сил, рівний 1 Н м.

Індукцію магнітного поля можна визначити і за силою, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі.

На провідник із струмом, поміщений у магнітне поле, діє сила Ампера, величина якої визначається наступним виразом:

де I - сила струму у провіднику, l -довжина провідника, В - модуль вектора магнітної індукції, а - кут між вектором та напрямом струму.

Напрямок сили Ампера можна визначити за правилом лівої руки: долоню лівої руки маємо так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, чотири пальці розташовуємо у напрямку струму в провіднику, то відігнутий великий палець показує напрямок сили Ампера.

Враховуючи, що I = q 0 nSv, і підставляючи цей вираз (3.21), отримаємо F = q 0 nSh/B sin a. Число частинок (N) у заданому обсязі провідника дорівнює N = nSl, тоді F = q 0 NvB sin a.

Визначимо силу, що діє з боку магнітного поля на окрему заряджену частинку, що рухається в магнітному полі:

Цю силу називають силою Лоренца (1853–1928). Напрямок сили Лоренца можна визначити за правилом лівої руки: долоню лівої руки маємо так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, чотири пальці показували напрямок руху позитивного заряду, великий відігнутий палець покаже напрямок сили Лоренца.

Сила взаємодії між двома паралельними провідниками, якими течуть струми I 1 і I 2 дорівнює:

де l -частина провідника, що у магнітному полі. Якщо струми одного напрямку, то провідники притягуються (рис. 60), якщо протилежного напряму відштовхуються. Сили, які діють кожен провідник, рівні по модулю, протилежні за напрямом. Формула (3.22) є основною визначення одиниці сили струму 1 ампер (1 А).

Магнітні властивості речовини характеризує скалярна фізична величина - магнітна проникність, що показує у скільки разів індукція магнітного поля в речовині, що повністю заповнює поле, відрізняється за модулем від індукції 0 магнітного поля у вакуумі:

За своїми магнітними властивостями всі речовини діляться на діамагнітні, парамагнітніі феромагнітні.

Розглянемо природу магнітних властивостей речовин.

Електрони в оболонці атомів речовини рухаються різними орбітами. Для спрощення вважаємо ці орбіти круговими, і кожен електрон, що обертається навколо атомного ядра, можна як круговий електричний струм. Кожен електрон, як круговий струм, створює магнітне поле, яке назвемо орбітальним. Крім того, електрон в атомі має власне магнітне поле, зване спиновим.

Якщо при внесенні в зовнішнє магнітне поле з індукцією 0 всередині речовини створюється індукція< В 0 , то такие вещества называются диамагнитными (n< 1).

У діамагнітнихматеріалах за відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні поля електронів скомпенсовані, і за внесенні в магнітне поле індукція магнітного поля атома стає спрямованої проти зовнішнього поля. Діамагнетик виштовхується із зовнішнього магнітного поля.

У парамагнітнихматеріалів магнітна індукція електронів в атомах повністю не скомпенсована, і атом в цілому виявляється подібним до маленького постійного магніту. Зазвичай у речовині всі ці дрібні магніти орієнтовані довільно, і сумарна магнітна індукція всіх полів дорівнює нулю. Якщо помістити парамагнетик у зовнішнє магнітне поле, то всі маленькі магніти - атоми повернуться у зовнішньому магнітному полі подібно до стрілок компаса і магнітне поле в речовині посилюється ( n >= 1).

Феромагнітниминазиваються такі матеріали, в яких n 1. У феромагнітних матеріалах створюються так звані домени, макроскопічні області мимовільного намагнічування.

У різних доменах індукції магнітних полів мають різні напрями (рис. 61) та у великому кристалі

взаємно компенсують одне одного. При внесенні феромагнітного зразка у зовнішнє магнітне поле відбувається зміщення кордонів окремих доменів так, що обсяг доменів, орієнтованих на зовнішнє поле, збільшується.

Зі збільшенням індукції зовнішнього поля 0 зростає магнітна індукція намагніченої речовини. При деяких значеннях 0 індукція припиняє різке зростання. Це називається магнітним насиченням.

Характерна особливість феромагнітних матеріалів - явище гістерези, яке полягає у неоднозначній залежності індукції у матеріалі від індукції зовнішнього магнітного поля при його зміні.

Петля магнітної гістерези - замкнута крива (cdc`d`c), що виражає залежність індукції в матеріалі від амплітуди індукції зовнішнього поля при періодичній досить повільній зміні останнього (рис. 62).

Петля гістерезису характеризується наступними величинами Bs, Br, Bc. B s - максимальне значення індукції матеріалу при 0s; r - залишкова індукція, що дорівнює значенню індукції в матеріалі при зменшенні індукції зовнішнього магнітного поля від B 0s до нуля; -В с і В с - коерцитивна сила - величина, що дорівнює індукції зовнішнього магнітного поля, необхідного для зміни індукції в матеріалі від залишкової до нуля.

Для кожного феромагнетика існує така температура (точка Кюрі (Ж. Кюрі, 1859-1906), вище за яку феромагнетик втрачає свої феромагнітні властивості.

Існує два способи приведення намагніченого феромагнетика в розмагнічений стан: а) нагріти вище точки Кюрі та охолодити; б) намагнічувати матеріал змінним магнітним полем з амплітудою, що повільно спадає.

Феромагнетики, що мають малу залишкову індукцію і коерцитивну силу, називаються магнітом'якими. Вони знаходять застосування в пристроях, де феромагнетику доводиться часто перемагнічуватись (сердечники трансформаторів, генераторів та ін.).

Магнітожорсткі феромагнетики, що мають велику коерцитивну силу, застосовуються для виготовлення постійних магнітів.