Де починаються силові лінії магнітного поля. Лінії магнітного поля

Давайте разом розумітися на тому, що таке магнітне поле. Адже багато людей живуть у цьому полі все життя і навіть не замислюються про нього. Час це виправити!

Магнітне поле

Магнітне поле – особливий виглядматерії. Воно проявляється у дії на рухомі електричні зарядиі тіла, які мають власний магнітний момент (постійні магніти).

Важливо: на нерухомі заряди магнітне поле діє! Створюється магнітне поле також рухомими електричними зарядами, або електричним полем, що змінюється в часі, або магнітними моментами електронів в атомах. Тобто будь-який провід, яким тече струм, стає також і магнітом!

Тіло, що має власне магнітне поле.

Магніт має полюси, звані північним і південним. Позначення "північний" та "південний" дано лише для зручності (як "плюс" і "мінус" в електриці).

Магнітне поле зображається за допомогою силових магнітних ліній . Силові лінії безперервні та замкнуті, а їх напрямок завжди збігається з напрямком дії сил поля. Якщо навколо постійного магнітурозсипати металеву стружку, частинки металу покажуть наочну картину силових ліній магнітного поля, що виходять з північного і входять до Південний полюс. Графічна характеристика магнітного поля силові лінії.

Характеристики магнітного поля

Основними характеристиками магнітного поля є магнітна індукція, магнітний потік і магнітна проникність. Але давайте про все по порядку.

Відразу зазначимо, що всі одиниці виміру наводяться у системі СІ.

Магнітна індукція B - Векторна фізична величина, що є основною силовою характеристикою магнітного поля Позначається буквою B . Одиниця виміру магнітної індукції - Тесла (Тл).

Магнітна індукція показує, наскільки сильне поле, визначаючи силу, з якою воно діє на заряд. Ця силаназивається силою Лоренца.

Тут q - Заряд, v - його швидкість у магнітному полі, B - Індукція, F - сила Лоренца, з якою поле діє заряд.

Ф- фізична величина, рівна добуткумагнітної індукції на площу контуру та косинус між вектором індукції та нормаллю до площини контуру, через який проходить потік. Магнітний потік – скалярна характеристика магнітного поля.

Можна сказати, що магнітний потік характеризує кількість ліній магнітної індукції, що пронизують одиницю площі. Магнітний потік вимірюється в Веберах (Вб).

Магнітна проникність- Коефіцієнт, що визначає магнітні властивостісередовища. Одним із параметрів, від яких залежить магнітна індукція поля, є магнітна проникність.

Наша планета протягом кількох мільярдів років є величезним магнітом. Індукція магнітного поля Землі змінюється залежно координат. На екваторі вона дорівнює приблизно 3,1 на 10 мінус п'ятого ступеня Тесла. До того ж існують магнітні аномалії, де значення та напрямок поля суттєво відрізняються від сусідніх областей. Одні з найбільших магнітних аномалійна планеті - Курськаі Бразильська магнітні аномалії.

Походження магнітного поля Землі досі залишається загадкою для вчених. Передбачається, що джерелом поля є рідке металеве ядро ​​Землі. Ядро рухається, отже, рухається розплавлений залізо-нікелевий сплав, а рух заряджених частинок - це електричний струм, що породжує магнітне поле. Проблема в тому, що ця теорія ( геодинамо) не пояснює того, як поле зберігається стійким.

Земля – величезний магнітний диполь.Магнітні полюси не збігаються з географічними, хоч і знаходяться в безпосередній близькості. Більше того, магнітні полюси Землі рухаються. Їхнє зміщення реєструється з 1885 року. Наприклад, за останні сто років магнітний полюс у Південній півкулізмістився майже на 900 кілометрів і зараз перебуває у Південному океані. Полюс арктичної півкулі рухається через Північний Льодовитий океандо Східно-Сибірської магнітної аномалії, швидкість його пересування (за даними 2004 року) становила близько 60 кілометрів на рік. Наразі спостерігається прискорення руху полюсів – у середньому швидкість зростає на 3 кілометри на рік.

Яким є значення магнітного поля Землі для нас?Насамперед магнітне поле Землі захищає планету від космічних променіві сонячного вітру. Заряджені частинки далекого космосу не падають прямо на землю, а відхиляються гігантським магнітом і рухаються вздовж його силових ліній. Таким чином, все живе виявляється захищеним від згубної радіації.

За історію Землі відбувалося кілька інверсій(Змін) магнітних полюсів. Інверсія полюсів- Це коли вони міняються місцями. Останній разце явище сталося близько 800 тисяч років тому, а всього геомагнітних інверсій в історії Землі було більше 400. Деякі вчені вважають, що з урахуванням прискорення руху магнітних полюсів наступної інверсії полюсів, що спостерігається, слід очікувати в найближчі пару тисяч років.

На щастя, у нашому столітті зміни полюсів поки що не очікується. Отже, можна думати про приємне і насолоджуватися життям у старому доброму постійному полі Землі, розглянувши основні властивостіта характеристики магнітного поля. А щоб Ви могли це робити, існують наші автори, яким можна з впевненістю в успіху доручити частину навчальних турбот! та інші типи робіт ви можете замовити за посиланням.

Що ми знаємо про силові лінії магнітного поля, крім того, що в локальному просторі біля постійних магнітів або провідників зі струмом, існує магнітне поле, яке виявляє себе у вигляді силових ліній, або у більш звичному поєднанні – у вигляді магнітно-силових ліній?

Існує дуже зручний спосіботримати наочну картину силових ліній магнітного поля за допомогою залізної тирси. Для цього потрібно насипати на аркуш паперу або картону трохи залізної тирси і піднести знизу один з полюсів магніту. Тирса намагнічується і розташовуються по силових лініях магнітного поля у вигляді ланцюжків мікро магнітів. У класичної фізикимагнітно-силові лінії визначають як лінії магнітного поля, дотичні до яких у кожній їх точці вказують напрямок поля в цій точці.

На прикладі кількох малюнків з різним розташуванням магнітно-силових ліній розглянемо характер магнітного поля навколо провідників зі струмом та постійних магнітів.

На рис.1 наведено вигляд магнітно-силових ліній кругового витка зі струмом, а на рис.2 наведено картину магнітно-силових ліній навколо прямолінійного дротузі струмом. На рис.2 замість тирси використовують маленькі магнітні стрілки. На цьому малюнку показано, як при зміні напряму струму, змінюється напрям магнітно-силових ліній. Зв'язок між напрямком струму та напрямом магнітно-силових ліній зазвичай визначають за допомогою «правила свердловина», обертання рукоятки якого покаже напрямок магнітно-силових ліній, якщо загвинчувати свердлик по напрямку струму.

На рис.3 наведено картину магнітно-силових ліній смугового магніту, а на рис.4 картину магнітно-силових ліній довгого соленоїдазі струмом. Привертає увагу подібність зовнішнього розташування магнітно-силових ліній на обох малюнках (рис.3 і рис.4). Силові лінії від одного кінця соленоїда зі струмом тягнуться до іншого так само, як у смугового магніту. Сама форма магнітно-силових ліній зовні соленоїда зі струмом ідентична формою ліній смугового магніту. У соленоїда зі струмом є полюси північний і південний, а також нейтральна зона. Два соленоїди зі струмом або соленоїд і магніт взаємодіють як два магніти.

Що ж можна побачити, дивлячись на картинки магнітних полів постійних магнітів, прямолінійних провідників зі струмом або витків зі струмом з використанням залізної тирси? Головна особливістьмагнітно-силових ліній, як показують картинки розташування тирси, це їхня замкнутість. Інша особливість магнітно-силових ліній – це їхня спрямованість. Маленька магнітна стрілка, вміщена у будь-якій точці магнітного поля, своїм північним полюсом вкаже напрямок магнітно-силових ліній. Для визначеності домовилися вважати, що магнітно-силові лінії виходять із північного магнітного полюса смугового магніту та входять до його південного полюса. Локальний магнітний простір поблизу магнітів або провідників зі струмом є суцільним пружним середовищем. Пружність цього середовища підтверджують численні досліди, наприклад при відштовхуванні однойменних полюсів постійних магнітів.

Ще раніше я висловив гіпотезу про те, що магнітне поле навколо магнітів або провідників зі струмом є суцільним пружним середовищем, що володіє магнітними властивостями, в якому утворюються інтерференційні хвилі. Частина цих хвиль замкнута. Саме в цій суцільній пружному середовищіутворюється інтерференційна картина магнітно-силових ліній, яка проявляється з використанням залізної тирси. Суцільне середовиществорюється випромінюванням джерел у мікроструктурі речовини.

Згадаймо досліди з інтерференції хвиль з підручника з фізики, в якому пластинка, що коливається, з двома вістрями вдаряє по воді. У цьому досвіді видно, що взаємне перетин під різними кутамидвох хвиль жодного впливу не робить на їхнє подальше переміщення. Тобто хвилі проходять один через одного без подальшого впливупоширення кожної їх. Для світлових (електромагнітних) хвиль справедлива та сама закономірність.

Що ж відбувається у тих галузях простору, у яких дві хвилі перетинаються (Рис. 5) – накладаються одна на одну? Кожна частка середовища перебуває у шляху двох хвиль одночасно бере участь у коливаннях цих хвиль, тобто. її рух є сумою коливань двох хвиль. Ці коливання є картиною інтерференційних хвиль з їх максимумами і мінімумами в результаті накладання двох або більшого числахвиль, тобто. складання їх коливань у кожній точці середовища, якою ці хвилі проходять. Досвідами встановлено, що явище інтерференції спостерігається як у хвиль, що розповсюджуються в середовищах, так і в електромагнітних хвильтобто інтерференція є виключно властивістю хвиль і не залежить, ні від властивостей середовища, ні від його наявності. Слід пам'ятати, що інтерференція хвиль виникає за умови, якщо коливання когерентні (узгоджені), тобто. коливання повинні мати постійну у часі різницю фаз і однакову частоту.

У нашому випадку із залізною тирсою магнітно-силовими лініямиє лінії з найбільшою кількістютирси, розташованої в максимумах інтерференційних хвиль, а лінії з меншою кількістю тирси розташовані між максимумами (у мінімумах) інтерференційних хвиль.

На підставі вище наведеної гіпотези можна зробити такі висновки.

1.Магнітне поле - це середовище, яке утворюється поблизу постійного магніту або провідника зі струмом в результаті випромінювання джерелами в мікроструктурі магніту або провідника окремих мікромагнітних хвиль.

2.Ці мікромагнітні хвилі взаємодіють у кожній точці магнітного поля, утворюючи інтерференційну картину у вигляді магнітно-силових ліній.

3.Мікромагнітні хвилі це замкнуті мікроенергетичні вихори з мікро полюсами здатні притягуватися між собою, утворюючи пружні замкнуті лінії.

4.Мікро джерела в мікро структурі речовини, що випромінюють мікромагнітні хвилі, які утворюють інтерференційну картину магнітного поля, мають однакову частоту коливань, а їхнє випромінювання постійну в часі різниця фаз.

Як же відбувається процес намагнічування тіл, що призводить до утворення навколо них магнітного поля, тобто. які процеси відбуваються у мікроструктурі магнітів та провідників зі струмом? Щоб відповісти на це та інші питання, необхідно згадати деякі особливості будови атома.

Таким чином, індукція магнітного поля на осі кругового витка зі струмом зменшується пропорційно третього ступеня відстані від центру витка до точки на осі. Вектор магнітної індукції на осі витка паралельні осі. Його напрям можна визначити за допомогою правого гвинта: якщо направити правий гвинт паралельно осі витка і обертати його у напрямку струму у витку, то напрям поступального руху гвинта покаже напрям вектора магнітної індукції.

3.5 Силові лінії магнітного поля

Магнітне поле, як і електростатичне, зручно представляти в графічній формі- За допомогою силових ліній магнітного поля.

Силова лінія магнітного поля – це лінія, яка стосується якої у кожній точці збігається з напрямом вектора магнітної індукції.

Силові лінії магнітного поля проводять так, що їхня густота пропорційна величині магнітної індукції: чим більша магнітна індукція в деякій точці, тим більша густота силових ліній.

Таким чином, силові лінії магнітного поля мають схожість із силовими лініями електростатичного поля.

Проте їм властиві деякі особливості.

Розглянемо магнітне поле, створене прямим провідником із струмом I.

Нехай цей провідник перпендикулярний до площини малюнка.

У різних точках, що розташовані на однакових відстанях від провідника, індукція однакова за величиною.

Напрямок вектора У в різних точкахпоказано малюнку.

Лінією, дотична до якої у всіх точках збігається з напрямом вектора магнітної індукції, є коло.

Отже, силові лінії магнітного поля в цьому випадку є колами, що охоплюють провідник. Центри всіх силових ліній розташовані на провіднику.

Таким чином, силові лінії магнітного поля замкнуті (силові електростатичні лінії не можуть бути замкнуті, вони починаються і закінчуються на зарядах).

Тому магнітне поле є вихровим(Так називають поля, силові лінії яких замкнуті).

Замкнутість силових ліній означає ще одну, дуже важливу особливість магнітного поля – в природі не існує (принаймні, поки що не виявлено) магнітних зарядів, які були джерелом магнітного поля певної полярності.

Тому не буває окремо існуючого північного або південного магнітного полюса магніту.

Навіть якщо розпиляти навпіл постійний магніт, то вийде два магніти, кожен з яких має обидва полюси.

3.6. Сила Лоренца

Експериментально встановлено, що у заряд, який у магнітному полі, діє сила. Цю силу прийнято називати силою Лоренца:

.

Модуль сили Лоренца

,

де a – кут між векторами v і B .

Напрямок сили Лоренца залежить від напрямку вектора. Його можна визначити за допомогою правила правого гвинта чи правила лівої руки. Але напрям сили Лоренца не обов'язково збігається з напрямом вектора!

Справа в тому, що сила Лоренца дорівнює результату добутку вектора [ v , У ] на скаляр q. Якщо заряд позитивний, то F лпаралельна вектору [ v , У ]. Якщо ж q< 0, то сила Лоренца противоположна направлению вектора [v , У ] (Див. малюнок).

Якщо заряджена частка рухається паралельно силовим лініям магнітного поля, то кут a між векторами швидкості та магнітної індукції дорівнює нулю. Отже, сила Лоренца такий заряд не діє (sin 0 = 0, F л = 0).

Якщо ж заряд рухатиметься перпендикулярно силовим лініям магнітного поля, то кут між векторами швидкості і магнітної індукції дорівнює 90 0 . В цьому випадку сила Лоренца має максимально можливе значення: F л = q v B.

Сила Лоренца завжди перпендикулярна швидкості руху заряду. Це означає, що сила Лоренца неспроможна змінити величину швидкості руху, але змінює її напрям.

Тому в однорідному магнітному полі заряд, що влетів у магнітне поле перпендикулярно до його силових ліній, рухатиметься по колу.

Якщо заряд діє лише сила Лоренца, то рух заряду підпорядковується наступному рівнянню, складеному з урахуванням другого закону Ньютона: ma = F л.

Оскільки сила Лоренца перпендикулярна швидкості, прискорення зарядженої частки є доцентровим (нормальним): (тут R- Радіус кривизни траєкторії зарядженої частинки).

При підключенні до двох паралельним провідникамелектричного струму, вони будуть притягуватись або відштовхуватись, залежно від напрямку (полярності) підключеного струму. Це пояснюється явищем виникнення матерії особливий навколо цих провідників. Ця матерія називається магнітне поле (МП). Магнітною силою називається сила, з якою провідники діють один на одного.

Теорія магнетизму виникла ще в давнину, античної цивілізаціїАзії. У Магнезії у горах знайшли особливу породу, шматки якої могли притягатися між собою. За назвою місця цю породу назвали "магнетиками". Стрижневий магніт містить два полюси. На полюсах особливо виявляються його магнітні властивості.

Магніт, що висить на нитці, своїми полюсами показуватиме сторони горизонту. Його полюси будуть повернуті на північ та південь. На такому принципі діє пристрій компасу. Різноіменні полюси двох магнітів притягуються, а однойменні відштовхуються.

Вчені виявили, що намагнічена стрілка, що знаходиться біля провідника, відхиляється при проходженні електричним струмом. Це свідчить, що навколо нього утворюється МП.

Магнітне поле впливає на:

Електричні заряди, що переміщаються.
Речовини, які називаються феромагнетиками: залізо, чавун, їх сплави.

Постійні магніти – тіла, мають загальний магнітний момент заряджених частинок (електронів).

1 - Південний полюс магніту
2 - Північний полюс магніту
3 — МП на прикладі металевої тирси
4 - Напрямок магнітного поля

Силові лінії з'являються при наближенні постійного магніту до паперового листа, на який насипаний шар залізної тирси. На малюнку чітко видно місця полюсів із орієнтованими силовими лініями.

Джерела магнітного поля

• Електричне поле, що змінюється у часі.
• Рухливі заряди.
• Постійні магніти.

З дитинства нам знайомі постійні магніти. Вони використовувалися як іграшки, які притягували до себе різні металеві деталі. Їх прикріплювали до холодильника, вони були вбудовані у різні іграшки.

Електричні заряди, що перебувають у русі, найчастіше мають більше магнітної енергії, порівняно з постійними магнітами.

Властивості

• Головним відмітною ознакоюта властивістю магнітного поля є відносність. Якщо нерухомо залишити заряджене тіло в деякій системі відліку, а поруч розташувати магнітну стрілку, то вона вкаже на північ, і при цьому не відчує стороннього поля, крім поля землі. А якщо заряджене тіло почати рухати біля стрілки, навколо тіла з'явиться МП. Через війну стає зрозуміло, що МП формується лише за пересуванні деякого заряду.
• Магнітне поле здатне впливати та впливати на електричний струм. Його можна знайти, якщо проконтролювати рух заряджених електронів. У магнітному полі частинки із зарядом відхиляться, провідники з струмом, що протікає, будуть переміщатися. Рамка з підключеним живленням струму повертатиметься, а намагнічені матеріали перемістяться на деяку відстань. Стрілка компаса найчастіше фарбується в синій колір. Вона є смужкою намагніченої сталі. Компас орієнтується завжди північ, оскільки Землі є МП. Вся планета – це великий магніт зі своїми полюсами.

Магнітне поле не сприймається людськими органами, і може фіксуватися лише особливими приладами та датчиками. Воно буває змінного і постійного вигляду. Змінне поле зазвичай створюється спеціальними індукторами, які функціонують від змінного струму. Постійне поле формується постійним електричним полем.

Правила

Розглянемо основні правила зображення магнітного поля різних провідників.

Правило буравчика

Силова лінія зображується в площині, яка розташована під кутом 90 0 до руху струму таким чином, щоб у кожній точці сила була спрямована по дотичній до лінії.

Щоб визначити напрямок магнітних сил, потрібно згадати правило свердловина з правим різьбленням.

Буравчик потрібно розташувати по одній осі з вектором струму, рукоятку обертати таким чином, щоб свердловин рухався у бік його напрямку. У цьому випадку орієнтація ліній визначиться обертанням рукоятки свердловина.

Правило буравчика для кільця

Поступальне переміщення свердла в провіднику, виконаному у вигляді кільця, показує, як орієнтована індукція, обертання збігається з течією струму.

Силові лінії мають своє продовження всередині магніту і не можуть бути розімкнуті.

Магнітне поле різних джерелпідсумовуються між собою. У цьому вони створюють спільне поле.

Магніти з однаковими полюсами відштовхуються, з різними – притягуються. Значення сили взаємодії залежить від віддаленості між ними. При наближенні полюсів сила зростає.

Параметри магнітного поля

• Зчеплення потоків ( Ψ ).
• Вектор магнітної індукції ( У).
• Магнітний потік ( Ф).

Інтенсивність магнітного поля обчислюється розміром вектора магнітної індукції, яка залежить від сили F, та формується струмом I по провіднику, що має довжину l: В = F / (I * l).

Магнітна індукція вимірюється в Тесла (Тл), на честь вченого, який вивчав явища магнетизму і займався їх методами розрахунку. 1 Тл дорівнює індукції магнітного потоку силою 1 Нна довжині 1 м прямого провідника, що знаходиться під кутом 90 0 до напрямку поля, при струмі, що протікає, в один ампер:

1 Тл = 1 х Н/(А х м).

Правило лівої руки

Правило знаходить напрямок вектора магнітної індукції.

Якщо долоню лівої руки розмістити в полі, щоб лінії магнітного поля входили в долоню з північного полюса під 90 0 , а 4 пальця розмістити за течією струму великий палецьпокаже напрямок магнітної сили.

Якщо провідник знаходиться під іншим кутом, то сила прямо залежатиме від струму та проекції провідника на площину, що знаходиться під прямим кутом.

Сила не залежить від виду матеріалу провідника та його перерізу. Якщо провідника немає, а заряди рухаються в іншому середовищі, то сила не зміниться.

При напрямку вектора магнітного поля в один бік однієї величини поле називається рівномірним. Різні середовища впливають розмір вектора індукції.

Магнітний потік

Магнітна індукція, що проходить деякою площею S і обмежена цією площею, є магнітним потоком.

Якщо площа має нахил на деякий кут до лінії індукції, магнітний потік знижується на розмір косинуса цього кута. Найбільша величина утворюється при знаходженні площі під прямим кутом до магнітної індукції:

Ф = В * S.

Магнітний потік вимірюється у такій одиниці, як «вебер», який дорівнює перебігу індукції величиною 1 Тлза площею в 1 м 2.

Потокосчеплення

Таке поняття застосовується для створення загального значеннямагнітного потоку, який створений від певної кількості провідників, що знаходяться між магнітними полюсами.

У разі коли однаковий струм Iпротікає по обмотці з кількістю витків n, загальний магнітний потік, утворений усіма витками є потоком зчеплення.

Потокосчеплення Ψ вимірюється у веберах, і так само: Ψ = n * Ф.

Магнітні властивості

Магнітна проникність визначає, наскільки магнітне поле у ​​певному середовищі нижче або вище індукції поля у вакуумі. Речовину називають намагніченою, якщо вона утворює своє магнітне поле. При поміщенні речовини у магнітне полі в нього з'являється намагніченість.

Вчені визначили причину, через яку тіла отримують магнітні властивості. Згідно з гіпотезою вчених усередині речовин є електричні струми мікроскопічної величини. Електрон має свій магнітний момент, який має квантову природу, рухається деякою орбітою в атомах. Саме такими малими струмами визначаються магнітні властивості.

Якщо струми рухаються безладно, то магнітні поля, що їх викликають, самокомпенсуються. Зовнішнє поле робить струми впорядкованими, тому формується магнітне поле. Це є намагніченістю речовини.

Різні речовини можна розділити на властивості взаємодії з магнітними полями.

Їх поділяють на групи:

Парамагнетики– речовини, що мають властивості намагнічування у напрямку зовнішнього поля, що мають низьку можливість магнетизму. Вони мають позитивну напруженість поля. До таких речовин відносять хлорне залізо, марганець, платину тощо.
Феррімагнетики– речовини з неврівноваженими за напрямом та значенням магнітними моментами. Вони характерна наявність некомпенсованого антиферомагнетизму. Напруженість поля та температура впливає на їх магнітну сприйнятливість (різні оксиди).
Феромагнетики– речовини з підвищеною позитивною сприйнятливістю, що залежить від напруженості та температури (кристали кобальту, нікелю тощо).
Діамагнетики– мають властивість намагнічування в протилежному напрямкузовнішнього поля, тобто, від'ємне значеннямагнітної сприйнятливості, яка залежить від напруженості. За відсутності поля цієї речовини не буде магнітних властивостей. До таких речовин відносяться: срібло, вісмут, азот, цинк, водень та інші речовини.
Антиферомагнетики – мають урівноважений магнітний момент, внаслідок чого утворюється низький ступінь намагнічування речовини. У них під час нагрівання здійснюється фазовий перехідречовини, у якому виникають парамагнитные властивості. При зниженні температури нижче певної межі, такі властивості не з'являтимуться (хром, марганець).

Розглянуті магнетики також класифікуються ще за двома категоріями:

Магнітом'які матеріали . Вони мають низьку коерцитивну силу. При малопотужних магнітних полях вони можуть увійти до насичення. У процесі перемагнічування вони спостерігаються незначні втрати. Внаслідок цього такі матеріали використовуються для виробництва сердечників електричних пристроїв, що функціонують на змінній напрузі ( , генератор, ).
Магнітотвердіматеріали. Вони мають підвищену величину коерцитивної сили. Щоб їх перемагнітити, знадобиться сильне магнітне поле. Такі матеріали використовуються у виробництві постійних магнітів.

Магнітні властивості різних речовинзнаходять своє використання в технічних проектах та винаходах.

Магнітні ланцюги

Об'єднання кількох магнітних речовинназивається магнітним ланцюгом. Вони є подібністю та визначаються аналогічними законами математики.

На основі магнітних ланцюгів діють електричні прилади, індуктивності, . У функціонуючого електромагніту потік протікає магнітопроводом, виготовленим з феромагнітного матеріалу і повітрям, який не є феромагнетиком. Об'єднання цих компонентів є магнітним ланцюгом. Багато електричних пристроїв у своїй конструкції містять магнітні ланцюги.

Теми кодифікатора ЄДІ : взаємодія магнітів, магнітне поле провідника зі струмом

Магнітні властивості речовини відомі людям давно. Магніти отримали свою назву від античного містаМагнесія: у його околицях був поширений мінерал (названий згодом магнітним залізняком чи магнетитом), шматки якого притягували залізні предмети.

Взаємодія магнітів

На двох сторонах кожного магніту розташовані північний полюс і Південний полюс. Два магніти притягуються один до одного різноіменними полюсами і відштовхуються однойменними. Магніти можуть діяти один на одного навіть крізь вакуум! Все це нагадує взаємодію електричних зарядів, проте взаємодія магнітів не є електричною. Про це свідчать такі досвідчені факти.

Магнітна сила слабшає під час нагрівання магніту. Сила ж взаємодії точкових зарядівне залежить від їхньої температури.

Магнітна сила слабшає, якщо трясти магніт. Нічого подібного з електрично зарядженими тілами не відбувається.

Позитивні електричні заряди можна відокремити від негативних (наприклад, при електризації тіл). А ось розділити полюси магніту не виходить: якщо розрізати магніт на дві частини, то в місці розрізу також виникають полюси, і магніт розпадається на два магніти з різноіменними полюсами на кінцях (орієнтованих так само, як і полюси вихідного магніту).

Таким чином, магніти завждидвополюсні, вони існують лише у вигляді диполів. Ізольованих магнітних полюсів (так званих магнітних монополів - аналогів електричного заряду) у природі не існує (принаймні, експериментально вони поки не виявлені). Це, мабуть, найвражаюча асиметрія між електрикою та магнетизмом.

Як і електрично заряджені тіла, магніти діють електричні заряди. Однак магніт діє тільки на рухаєтьсязаряд; якщо заряд лежить у відношенні магніту, то дії магнітної сили на заряд не спостерігається. Навпаки, наелектризоване тіло діє будь-який заряд, незалежно від цього, лежить він чи рухається.

за сучасним уявленнямтеорії близькодії, взаємодія магнітів здійснюється за допомогою магнітного поля.А саме, магніт створює в навколишньому просторі магнітне поле, що діє на інший магніт і викликає видиме тяжіння або відштовхування цих магнітів.

Прикладом магніту є магнітна стрілкакомпасу. За допомогою магнітної стрілки можна судити про наявність магнітного поля в даній області простору, а також напрям поля.

Наша планета Земля є величезним магнітом. Неподалік північного географічного полюсаЗемлі розташовано південний магнітний полюс. Тому північний кінець стрілки компаса, повертаючись до південного магнітному полюсуЗемлі вказує на географічна північ. Звідси, власне, і виникла назва "північний полюс" магніту.

Лінії магнітного поля

Електричне поле, нагадаємо, досліджується за допомогою маленьких пробних зарядів, по дії на які можна судити про величину та напрямок поля. Аналогом пробного заряду у разі магнітного поля є невелика магнітна стрілка.

Наприклад, можна отримати деяке геометричне уявлення про магнітне поле, якщо розмістити в різних точках простору дуже малі стрілки компаса. Досвід показує, що стрілки вишикуються вздовж певних ліній-так званих ліній магнітного поля. Дамо визначення цього поняття у вигляді наступних трьох пунктів.

1. Лінії магнітного поля, або магнітні силові лінії - це спрямовані лінії у просторі, що мають наступну властивість: маленька стрілка компаса, поміщена в кожній точці такої лінії, орієнтується по дотичній до цієї лінії.

2. Напрямком лінії магнітного поля вважається напрямок північних кінців стрілок компаса, розташованих у точках даної лінії.

3. Чим густіше йдуть лінії, тим сильніше магнітне поле в цій галузі простору.

Роль стрілок компаса з успіхом можуть виконувати залізну тирсу: в магнітному полі маленька тирса намагнічується і поводиться точно як магнітні стрілки.

Так, насипавши залізної тирси навколо постійного магніту, ми побачимо приблизно наступну картину ліній магнітного поля (рис. 1).

Мал. 1. Поле постійного магніту

Північний полюс магніту позначається синім кольором та літерою; південний полюс - червоним кольором та літерою. Зверніть увагу, що лінії поля виходять із північного полюса магніту і входять до південного полюса: адже саме до південного полюса магніту буде спрямований північний кінець стрілки компаса.

Досвід Ерстеда

Незважаючи на те, що електричні та магнітні явищабули відомі людям ще з античності, жодного взаємозв'язку між ними довгий часне спостерігалося. Протягом кількох століть дослідження електрики та магнетизму йшли паралельно та незалежно один від одного.

Той чудовий факт, що електричні та магнітні явища насправді пов'язані один з одним, був уперше виявлений у 1820 році – у знаменитому досвіді Ерстеда.

Схема досвіду Ерстеда показано на рис. 2 (зображення із сайту rt.mipt.ru). Над магнітною стрілкою (і - північний та південний полюси стрілки) розташований металевий провідник, підключений до джерела струму. Якщо замкнути ланцюг, то стрілка повертається перпендикулярно до провідника!
Цей простий досвід прямо вказав на взаємозв'язок електрики та магнетизму. Експерименти, що пішли за досвідом Ерстеда, твердо встановили таку закономірність: магнітне поле породжується електричними струмамиі діє на струми.

Мал. 2. Досвід Ерстеда

Картина ліній магнітного поля, породженого провідником із струмом, залежить від форми провідника.

Магнітне поле прямого дроту зі струмом

Лінії магнітного поля прямолінійного дроту зі струмом є концентричними колами. Центри цих кіл лежать на дроті, які площини перпендикулярні дроту (рис. 3 ).

Мал. 3. Поле прямого дроту зі струмом

Для визначення напряму ліній магнітного поля прямого струму є два альтернативні правила.

Правило годинникової стрілки. Лінії поля йдуть проти годинникової стрілки, якщо дивитися так, щоб струм потік на нас.

Правило гвинта(або правило буравчика, або правило штопора- це вже кому що ближче; -)). Лінії поля йдуть туди, куди треба обертати гвинт (зі звичайним правим різьбленням), щоб він рухався по різьбленню в напрямку струму.

Користуйтеся тим правилом, яке вам більше до вподоби. Краще звикнути до правила годинникової стрілки - ви самі згодом переконаєтеся, що воно універсальніше і ним простіше користуватися (а потім з подякою згадайте його на першому курсі, коли вивчатимете аналітичну геометрію).

На рис. 3 з'явилося і щось нове: це вектор , який називається індукцією магнітного поля, або магнітною індукцією. Вектор магнітної індукції є аналогом вектора напруженості електричного поля: він служить силовою характеристикоюмагнітного поля, визначаючи силу, з якою магнітне поле діє на заряди, що рухаються.

Про сили в магнітному полі ми поговоримо пізніше, а поки зазначимо лише, що величина та напрямок магнітного поля визначається вектором магнітної індукції. У кожній точці простору вектор спрямований туди, куди і північний кінець стрілки компаса, поміщеної в дану точку, А саме щодо дотичної до лінії поля в напрямку цієї лінії. Вимірюється магнітна індукція в теслах(Тл).

Як і у випадку електричного поля, для індукції магнітного поля справедливо принцип суперпозиції. Він полягає в тому, що індукції магнітних полів , створюваних у цій точці різними струмами, складаються векторно і дають результуючий вектор магнітної індукції:.

Магнітне поле витка зі струмом

Розглянемо круговий виток, по якому циркулює постійний струм. Джерело, що створює струм, ми малюнку не показуємо.

Картина ліній поля нашого витка буде мати приблизно наступний вигляд(Рис. 4).

Мал. 4. Поле витка зі струмом

Нам буде важливо вміти визначати, до якого напівпростору (щодо площини витка) спрямоване магнітне поле. Знову маємо два альтернативні правила.

Правило годинникової стрілки. Лінії поля йдуть туди, дивлячись звідки струм здається циркулюючим проти годинникової стрілки.

Правило гвинта. Лінії поля йдуть туди, куди переміщатиметься гвинт (зі звичайним правим різьбленням), якщо обертати його в напрямку струму.

Як бачите, струм і поле змінюються ролями - порівняно з формулюваннями цих правил для прямого струму.

Магнітне поле котушки зі струмом

Котушкавийде, якщо щільно, виток до витка, намотати провід досить довгу спіраль (рис. 5 - зображення з сайту en.wikipedia.org). У котушці може бути кілька десятків, сотень чи навіть тисяч витків. Котушка називається ще соленоїдом.

Мал. 5. Котушка (соленоїд)

Магнітне поле одного витка, як ми знаємо, виглядає не дуже просто. Поля? окремих витків котушки накладаються один на одного, і, здавалося б, в результаті повинна вийти зовсім заплутана картина. Однак це не так: поле довгої котушки має несподівано просту структуру(Рис. 6).

Мал. 6. поле котушки зі струмом

На цьому малюнку струм у котушці йде проти годинникової стрілки, якщо дивитися зліва (так буде, якщо на рис. 5 правий кінець котушки підключити до плюса джерела струму, а лівий кінець - до мінуса). Ми бачимо, що магнітне поле котушки має дві характерні властивості.

1. Усередині котушки далеко від країв магнітне поле є однорідним: у кожній точці вектор магнітної індукції однаковий за величиною та напрямом. Лінії поля – паралельні прямі; вони викривляються лише поблизу країв котушки, коли виходять назовні.

2. Поза котушки поле близько до нуля. Чим більше витків у котушці – тим слабше полезовні її.

Зауважимо, що нескінченно довга котушка взагалі не випускає поле назовні: поза котушкам магнітне поле відсутнє. Усередині такої котушки поле усюди є однорідним.

Нічого не нагадує? Котушка є "магнітним" аналогом конденсатора. Ви ж пам'ятаєте, що конденсатор створює в собі однорідне електричне поле, лінії якого викривляються лише поблизу країв пластин, а поза конденсатором поле близько до нуля; конденсатор із нескінченними обкладками взагалі не випускає поле назовні, а всюди всередині нього поле однорідне.

А тепер – головне спостереження. Зіставте, будь ласка, картину ліній магнітного поля поза котушки (рис. 6) з лініями поля магніту на рис. 1 . Одне й те саме, чи не так? І ось ми підходимо до питання, яке, ймовірно, у вас вже давно виникло: якщо магнітне поле породжується струмами і діє на струми, то яка причина виникнення магнітного поля поблизу постійного магніту? Адже цей магніт начебто не є провідником зі струмом!

Гіпотеза Ампера. Елементарні струми

Спочатку вважали, що взаємодія магнітів пояснюється спеціальними магнітними зарядами, зосередженими на полюсах. Але, на відміну електрики, ніхто було ізолювати магнітний заряд; адже, як ми вже говорили, не вдавалося отримати окремо північний і південний полюс магніту - полюси завжди присутні в магніті парами.

Сумніви щодо магнітних зарядів посилив досвід Ерстеда, коли з'ясувалося, що магнітне поле породжується електричним струмом. Більш того, виявилося, що для будь-якого магніту можна підібрати провідник зі струмом відповідної конфігурації, такий, що поле цього провідника збігається з полем магніту.

Ампер висунув сміливу гіпотезу. Немає жодних магнітних зарядів. Дія магніту пояснюється замкнутими електричними струмами всередині нього.

Що це за струми? Ці елементарні струмициркулюють усередині атомів та молекул; вони пов'язані з рухом електронів атомними орбітами. Магнітне поле будь-якого тіла складається з магнітних полів цих елементарних струмів.

Елементарні струми можуть бути безладно розташовані один щодо одного. Тоді їхні поля взаємно погашаються, і тіло не виявляє магнітних властивостей.

Але якщо елементарні струми розташовані узгоджено, їх поля, складаючи, посилюють одне одного. Тіло стає магнітом (рис. 7; магніте поле буде спрямоване на нас; також на нас буде спрямований і північний полюс магніту).

Мал. 7. Елементарні струми магніту

Гіпотеза Ампера про елементарних струмахпрояснила властивості магнітів. Нагрівання та трясіння магніту руйнують порядок розташування його елементарних струмів, і магнітні властивості слабшають. Нероздільність полюсів магніту стала очевидною: у місці розрізу магніту ми отримуємо самі елементарні струми на торцях. Здатність тіла намагнічуватися в магнітному полі пояснюється узгодженим вибудовуванням елементарних струмів, що «повертаються» належним чином (про поворот кругового струму в магнітному полі читайте в наступному листку).

Гіпотеза Ампера виявилася справедливою – це показало подальший розвитокфізики. Уявлення про елементарні струми стали невід'ємною частиною теорії атома, розробленої вже в ХХ столітті - майже через сто років після геніальної гіпотези Ампера.