Постійне та змінне магнітне поле. Постійні магніти

Джерелами постійних магнітних полів (ПМП)на робочих місцях є постійні магніти, електромагніти, сильноточні системи постійного струму (лінії передачі постійного струму, електролітні ванни та ін.).

Постійні магніти та електромагніти широко використовуються в приладобудуванні, в магнітних шайбах підйомних кранів, в магнітних сепараторах, в пристроях для магнітної обробки води, в магнітогідродинамічних генераторах (МГД), установках ядерного магнітного резонансу (ЯМР) та електронного парамагнітного резонансу у фізіотерапевтичній практиці.

Основними фізичними параметрами, що характеризують ПМП, є напруженість поля (Н), магнітний потік (Ф) та магнітна індукція (В). У системі СІ одиницею виміру напруженості магнітного поля є ампер на метр (А/м), магнітного потоку - Вебер (Вб ), щільності магнітного потоку (магнітної індукції) - тесла (Тл ).

Виявлено зміни у стані здоров'я осіб, які працюють із джерелами ПМП. Найчастіше ці зміни виявляються у формі вегетодистоній, астеновегетативного та периферичного вазовегетативного синдромів або їх поєднання.

Згідно з чинним у нашій країні нормативом («гранично допустимі рівні впливу постійних магнітних полів при роботі з магнітними пристроями і магнітними матеріалами» № 1742-77), напруженість ПМП на робочих місцях не повинна перевищувати 8 кА/м (10 мТл). Допустимі рівні ПМП, рекомендовані Міжнародним комітетом з неіонізуючих випромінювань (1991) диференційовані за контингентом, місцем впливу та часом роботи. Для професіоналів: 0,2 Тл – при дії повний робочий день (8 год); 2 Тл – при короткочасному впливі на тіло; 5 Тл – при короткочасному впливі на руки. Для населення рівень безперервної дії ПМП не повинен перевищувати 0,01 Тл.

Джерела ЕМІ радіочастотного діапазону широко використовуються в різних галузях народного господарства. Вони застосовуються передачі інформації з відривом (радіомовлення, радіотелефонний зв'язок, телебачення, радіолокація та інших.). У промисловості ЕМІ радіохвильового діапазону використовуються для індукційного та діелектричного нагріву матеріалів (загартування, плавка, напайка, зварювання, напилення металів, нагрівання внутрішніх металевих частин електровакуумних приладів у процесі відкачування, сушіння деревини, нагрівання пластмас, склеювання пластикатів, термообробка). . ЕМІ широко застосовуються у наукових дослідженнях (радіоспектроскопія, радіоастрономія) та медицині (фізіотерапія, хірургія, онкологія). У ряді випадків ЕМІ виникають як побічний фактор, що не використовується, наприклад, поблизу повітряних ліній електропередачі (ПЛ), трансформаторних підстанцій, електроприладів, у тому числі побутового призначення. Основними джерелами випромінювання ЕМП РЧ в довкілля служать антенні системи радіолокаційних станцій (РЛС), радіо- та телерадіостанцій, включаючи системи мобільного радіозв'язку та повітряні лінії електропередачі.

Організм людини та тварин дуже чутливий до впливу ЕМП РЧ.

До критичних органів та систем належать: центральна нервова система, очі, гонади, а на думку деяких авторів, і кровотворна система. Біологічна дія цих випромінювань залежить від довжини хвилі (або частоти випромінювання), режиму генерації (безперервний, імпульсний) та умов впливу на організм (постійне, уривчасте; загальне, місцеве; інтенсивність; тривалість). Відзначено, що біологічна активність зменшується зі збільшенням довжини хвилі (або зниженням частоти) випромінювання. Найбільш активними є санти-, деци та метровий діапазони радіохвиль. Поразки, викликані ЕМІ РЧ, можуть бути гострими та хронічними. Гострі виникають при дії значних теплових інтенсивностей випромінювання. Вони трапляються вкрай рідко – при аваріях чи грубих порушеннях техніки безпеки на РЛС. Для професійних умов більш характерні хронічні поразки, що виявляються, як правило, після кількох років роботи з джерелами мікрохвильового діапазону ЕМІ.

Основними нормативними документами, що регламентують допустимі рівні впливу ЕМІ РЧ, є: ГОСТ 12.1.006 – 84 «ССБТ. Електромагнітні поля радіочастот.

Допустимі рівні» та СанПіН 2.2.4/2.1.8.055-96 «Електромагнітні випромінювання радіочастотного діапазону». Вони нормується енергетична експозиція (ЕЕ) для електричного (Е) і магнітного (Н) полів, і навіть щільність потоку енергії (ППЭ) протягом робочого дня (табл. 5.11).

Таблиця 5.11.

Гранично-допустимі рівні (ПДУ) за робочий день для працюючих

З ЕМІ РЧ

Для населення при безперервному впливі встановлені такі ПДУ напруженості електричного поля, В/м:

Діапазон частот МГц

0,03-0,30........................................................... 25

0,3-3,0.............................................................. 15

3-30.................................................................. 10

30-300............................................................... 3*

300-300000...................................................... 10

* Крім телевізійних станцій, ПДУ для яких диференційовані в

Залежно від частоти від 2,5 до 5 В/м.

До апаратів, що працюють в області радіочастотного діапазону, відносяться і відеодисплеї терміналів персональних комп'ютерів. У наші дні персональні комп'ютери (ПК) знаходять широке застосування на виробництві, наукових дослідженнях, лікувально-профілактичних установах, побуті, у вузах, школах і навіть у дитячих садках. При використанні з виробництва ПК залежно від технологічних завдань можуть впливати організм людини протягом багато часу (не більше робочого дня). У побутових умовах час використання ПК взагалі не піддається контролю.

Для відеодисплейних терміналів ПК (ВДТ) встановлено такі ПДУ ЕМІ (СанПіН 2.2.2.542-96 «Гігієнічні вимоги до відеодисплейних терміналів, персональних електронно-обчислювальних машин та організації роботи») – табл. 5.12.

Таблиця 5.12. Гранично допустимі рівні ЕМІ, створюваних ВДТ

Магнітне поле може створюватися струмом заряджених частинок та/або магнітними моментами електронів в атомах (і магнітними моментами інших частинок, хоча значно меншою мірою) (постійні магніти).

Крім цього, воно з'являється за наявності електричного поля, що змінюється в часі .

Основною силовою характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції (Вектор індукції магнітного поля). З математичної точки зору - векторне поле, що визначає та конкретизує фізичне поняття магнітного поля. Нерідко вектор магнітної індукції називається для стислості просто магнітним полем (хоча, напевно, це не найсуворіше вживання терміна).

Ще однією фундаментальною характеристикою магнітного поля (альтернативної магнітної індукції та тісно з нею взаємопов'язаної, практично рівної їй за фізичним значенням) є векторний потенціал .

Магнітне поле можна назвати особливим видом матерії, за допомогою якого здійснюється взаємодія між зарядженими частинками, що рухаються, або тілами, що володіють магнітним моментом.

Магнітні поля є необхідним (в контексті) наслідком існування електричних полів.

• З погляду квантової теорії поля магнітна взаємодія - як окремий випадок електромагнітної взаємодії переноситься фундаментальним безмасовим бозоном - фотоном (часткою, яку можна подати як квантове збудження електромагнітного поля), часто (наприклад, у всіх випадках статичних полів) - віртуальним.

Джерела магнітного поля

Магнітне поле створюється (породжується) струмом заряджених частинок, або змінним у часі електричним полем, або власними магнітними моментами частинок (останні для одноманітності картини можуть бути формально зведені до електричних струмів).

Обчислення

У найпростіших випадках магнітне полі провідника зі струмом (зокрема й у разі струму, розподіленого довільним чином за обсягом чи простору) може бути знайдено із закону Біо - Савара - Лапласа чи теореми про циркуляцію (вона ж - закон Ампера). У принципі, цей спосіб обмежується випадком (наближенням) магнітостатики - тобто випадком постійних (якщо мова йде про сувору застосовність) або досить повільно змінюються (якщо йдеться про наближене застосування) магнітних та електричних полів.

У складніших ситуаціях шукається як рішення рівнянь Максвелла.

Прояв магнітного поля

Магнітне поле проявляється у впливі на магнітні моменти частинок і тіл, на заряджені частинки, що рухаються, (або провідники зі струмом). Сила, що діє на електрично заряджену частинку, що рухається в магнітному полі, називається силою Лоренца, яка завжди спрямована перпендикулярно до векторів. vі B. Вона пропорційна заряду частки qскладової швидкості v, перпендикулярній до напрямку вектора магнітного поля B, та величині індукції магнітного поля B. У системі одиниць СІ сила Лоренца виражається так:

у системі одиниць СГС:

де квадратними дужками позначено векторний добуток.

Також (внаслідок дії сили Лоренца на заряджені частинки, що рухаються по провіднику) магнітне поле діє на провідник зі струмом . Сила, що діє на провідник зі струмом називається силою Ампера. Ця сила складається з сил, що діють на окремі заряди, що рухаються всередині провідника.

Взаємодія двох магнітів

Одне з найпоширеніших у звичайному житті проявів магнітного поля - взаємодія двох магнітів: однакові полюси відштовхуються, протилежні притягуються. Здається привабливим описати взаємодію між магнітами як взаємодія між двома монополями, і з формальної точки зору ця ідея цілком реалізована і часто дуже зручна, а значить практично корисна (у розрахунках); однак детальний аналіз показує, що насправді це не повністю правильний опис явища (найбільш очевидним питанням, що не одержує пояснення в рамках такої моделі, є питання про те, чому монополі ніколи не можуть бути розділені, тобто чому експеримент показує, що жодне ізольоване тіло насправді не має магнітного заряду, крім того, слабкістю моделі є те, що вона не застосовна до магнітного поля, створюваного макроскопічним струмом, а значить, якщо не розглядати її як суто формальний прийом, призводить лише до ускладнення теорії в фундаментальному сенсі).

Правильніше буде сказати, що на магнітний диполь, поміщений у неоднорідне поле, діє сила, яка прагне повернути його так, щоб магнітний момент диполя був спрямований з магнітним полем. Але ніякий магніт не має дії (сумарної) сили з боку однорідного магнітного поля. Сила, що діє на магнітний диполь із магнітним моментом mвиражається за формулою:

Сила, що діє на магніт (який не є одиночним точковим диполем) з боку неоднорідного магнітного поля, може бути визначена підсумовуванням усіх сил (визначених даною формулою), що діють на елементарні диполі, що становлять магніт.

Втім, можливий підхід, що зводить взаємодію магнітів до сили Ампера, а сама формула вища для сили, що діє на магнітний диполь, також може бути отримана, виходячи з сили Ампера.

Явище електромагнітної індукції

Векторне поле Hвимірюється в амперах на метр (А/м) у системі СІ та в ерстедах у СГС. Ерстеди та гауси є тотожними величинами, їх поділ є суто термінологічним.

Енергія магнітного поля

Збільшення щільності енергії магнітного поля дорівнює:

У лінійному тензорному наближенні магнітна проникність є тензор (позначимо його) і множення вектора на неї є тензорне (матричне) множення:

Щільність енергії у цьому наближенні дорівнює:

При виборі осей координат збігаються з головними осями тензора магнітної проникності формули в компонентах спрощуються:

В ізотропному лінійному магнетиці:

У вакуумі та:

Енергію магнітного поля в котушці індуктивності можна знайти за формулою:

Магнітні властивості речовин

З фундаментальної точки зору, як це було зазначено вище, магнітне поле може створюватися (а значить - у контексті цього параграфа - і послаблюватися або посилюватися) змінним електричним полем, електричними струмами у вигляді потоків заряджених частинок або магнітними моментами частинок.

Конкретні мікроскопічна структура та властивості різних речовин (а також їх сумішей, сплавів, агрегатних станів, кристалічних модифікацій тощо) призводять до того, що на макроскопічному рівні вони можуть поводитися досить різноманітно під дією зовнішнього магнітного поля (зокрема, послаблюючи або посилюючи його різною мірою).

У зв'язку з цим речовини (і взагалі середовища) щодо їх магнітних властивостей поділяються на такі основні групи:

• Антиферомагнетики – речовини, в яких встановився антиферомагнітний порядок магнітних моментів атомів або іонів: магнітні моменти речовин спрямовані протилежно та рівні за силою.
• Діамагнетики - речовини, що намагнічуються проти спрямування зовнішнього магнітного поля.
• Парамагнетики - речовини, що намагнічуються у зовнішньому магнітному полі у напрямку зовнішнього магнітного поля.
• Феромагнетики - речовини, в яких нижче певної критичної температури (точки Кюрі) встановлюється далекий феромагнітний порядок магнітних моментів
• Ферримагнетики - матеріали, у яких магнітні моменти речовини спрямовані протилежно і рівні по силі.
• До перерахованих вище групи речовин здебільшого відносяться звичайні тверді або (до деяких) рідкі речовини, а також гази. Істотно відрізняється взаємодія з магнітним полем надпровідників та плазми.

Токи Фуко

Токи Фуко (вихрові струми) - замкнуті електричні струми в масивному провіднику, що виникають при зміні магнітного потоку, що пронизує його. Вони є індукційними струмами, що утворюються в провідному тілі або внаслідок зміни в часі магнітного поля, в якому воно знаходиться, або внаслідок руху тіла в магнітному полі, що призводить до зміни магнітного потоку через тіло або будь-яку частину. Згідно з правилом Ленца, магнітне поле струмів Фуко спрямоване так, щоб протидіяти зміні магнітного потоку, що індукує ці струми.

Історія розвитку уявлень про магнітне поле

Хоча магніти і магнетизм були відомі набагато раніше, вивчення магнітного поля почалося в 1269 році, коли французький вчений Петро Перегрін (лицар П'єр з Мерікура) відзначив магнітне поле на поверхні сферичного магніту, застосовуючи сталеві голки, і визначив, що лінії магнітного поля, що виходять, перетиналися в двох точках, які він назвав "полюсами" за аналогією з полюсами Землі. Майже через три століття, Вільям Гільберт Колчестер використав працю Петра Перегріна і вперше виразно заявив, що сама Земля є магнітом. Опублікована в 1600 році, робота Гілберта "De Magnete", заклала основи магнетизму як науки

Три відкриття поспіль кинули виклик цій «основі магнетизму». По-перше, в 1819 Ханс Крістіан Ерстед виявив, що електричний струм створює магнітне поле навколо себе. Потім, в 1820 році, Андре-Марі Ампер показав, що паралельні проводи, якими йде струм в тому самому напрямку, притягуються один до одного. Нарешті, Жан-Батіст Біо і Фелікс Савар в 1820 відкрили закон, названий законом Біо-Савара-Лапласа, який правильно передбачав магнітне поле навколо будь-якого дроту, що знаходиться під напругою.

Розширивши ці експерименти, Ампер видав свою власну успішну модель магнетизму у 1825 році. У ній він показав еквівалентність електричного струму в магнітах, і замість диполів магнітних зарядів моделі Пуассона, запропонував ідею, що магнетизм пов'язаний із поточними петлями струму. Ця ідея пояснювала, чому магнітний заряд може бути ізольований. Крім того, Ампер вивів закон, названий його ім'ям, який, як і закон Біо-Савара-Лапласа, правильно описав магнітне поле, яке створюється постійним струмом, а також була введена теорема про циркуляцію магнітного поля. Крім того, в цій роботі Ампер ввів термін «електродинаміка» для опису взаємозв'язку між електрикою і магнетизмом.

Хоча мається на увазі в законі Ампера сила магнітного поля електричного заряду, що рухається, не була явно заявлена, в 1892 році Хендрік Лоренц вивів її з рівнянь Максвелла. У цьому класична теорія електродинаміки було переважно завершено.

Двадцяте століття розширило погляди на електродинаміку, завдяки появі теорії відносності та квантової механіки. Альберт Ейнштейн у статті 1905 року, де було обгрунтовано його теорія відносності, показав, що електричні і магнітні поля є частиною однієї й тієї ж явища, що у різних системах отсчета. (Див. магніт, що рухається, і проблема провідника - уявний експеримент, який в кінцевому підсумку допоміг Ейнштейну в розробці спеціальної теорії відносності). Нарешті, квантова механіка поєдналася з електродинамікою на формування квантової електродинаміки (КЭД).

Див. також

• Магнітна плівка візуалізатор

Примітки

1. ВРХ. 1973, "Радянська енциклопедія".
2. В окремих випадках магнітне поле може існувати і у відсутності електричного поля, але взагалі кажучи магнітне поле глибоко взаємопов'язане з електричним як динамічно (взаємне породження змінними електричним і магнітним полем один одного), так і в тому сенсі, що при переході в нову систему відліку магнітне і електричне поле виражаються один через одного, тобто взагалі не можуть бути безумовно розділені.
3. Яворський Би. М., Детлаф А. А.Довідник з фізики: 2-ге вид., перераб. – М.: Наука, Головна редакція фізико-математичної літератури, 1985, – 512 с.
4. У СІ магнітна індукція вимірюється в теслі (Тл), в системі СГС в гауссах.
5. Точно збігаються у системі одиниць СГС , у СІ - відрізняються постійним коефіцієнтом, що, звісно, ​​не змінює факту їх практичного фізичного тотожності.
6. Найважливішим і лежачим на поверхні відмінністю тут і те, що сила, діюча на частину (чи магнітний диполь), що рухається, обчислюються саме через а не через . Будь-який інший фізично коректний і осмислений метод вимірювання також дасть можливість виміряти саме хоча для формального розрахунку іноді виявляється зручнішим - у чому, власне, і полягає сенс введення цієї допоміжної величини (інакше без неї взагалі обходилися б, використовуючи тільки
7. Однак треба добре розуміти, що ряд фундаментальних властивостей цієї «матерії» докорінно відрізняється від властивостей того звичайного виду «матерії», який можна було б позначити терміном «речовина».
8. Див Теорема Ампера.
9. Для однорідного поля цей вираз дає нульову силу, оскільки дорівнюють нулю всі похідні Bза координатами.
10. Сивухін Д. В.Загальний курс фізики - Вид. 4-те, стереотипне. - М.: Фізматліт; Вид-во МФТІ, 2004. – Т. III. Електрика. – 656 с. - ISBN 5-9221-0227-3; ISBN 5-89155-086-5.

До цього часу ми розглядали магнітне поле, створюване провідниками зі струмом. Однак, магнітне поле створюється і постійними магнітами, В яких електричний струм відсутній, у тому сенсі, що заряджені частинки не здійснюють спрямованого руху по провіднику. Ще до відкриття Ерстеда магнітне поле постійних магнітів намагалося пояснити наявністю магнітних зарядів, що знаходяться в тілі, подібно до того, як електричні заряди створюють електричне поле. Протилежні полюси магніту вважали зосередженням магнітних зарядів різних знаків. Однак першою трудом була неможливість розділити ці полюси. Після розрізання смугового магніту не виходило окремо північного та південного полюсів- Виходило два магніти, у кожного з яких був і північний, і південний полюс. Пошуки магнітних зарядів («монополів») продовжуються досі, і поки що безуспішно. Ампер запропонував природніше пояснення. Оскільки виток із струмом створює поле, схоже на поле смугового магніту, Ампер припустив, що в речовині, а точніше в атомах, присутні заряджені частинки, що здійснюють круговий рух, і таким чином створюють кругові «атомні» струми.

Ця ідея добре погодилася із запропонованою згодом моделлю атома Резерфорда. Зрозуміло також, чому речовина у звичайному стані практично не виявляє магнітних властивостей. Для того, щоб поля різних «витків» склалися, вони повинні бути розташовані так, як показано на малюнку, щоб поля були зорієнтовані в одному напрямку. Але в силу теплового руху, їх напрями орієнтовані хаотично один до одного в усіх напрямках. А оскільки магнітні поля складаються за векторним законом, то сумарне поле дорівнює нулю. Це справедливо для більшості металів та інших речовин. Упорядкувати атомні струми можна лише деяких металах, званих феромагнетиками.Саме в них магнітні властивості виявляються помітно. Багато металів, наприклад мідь та алюміній не виявляють помітних магнітних властивостей, наприклад, не можуть бути намагнічені. Найбільш відомий приклад феромагнетика – залізо. У ньому є досить великі в порівнянні з розміром атома області (10 -6 -10 -4 см) - домени, В яких атомні струми вже суворо впорядковані. Самі області хаотично розташовані один до одного – метал не намагнічений. Поміщаючи їх у магнітне полі, ми можемо перевести домени в упорядкований стан – намагнітити метал, причому, прибравши зовнішнє полі, ми збережемо його намагніченість. У процесі намагнічування домени з орієнтацією атомних струмів уздовж зовнішнього поля зростають, інші зменшуються. Ми бачили, що виток із струмом у магнітному полі повертається силою Ампера так, щоб його магнітне поле встановилося по зовнішньому полю. Це положення рівноваги витка, яке він прагне зайняти. Після того, як зовнішнє поле вимикається, орієнтація атомних струмів зберігається. Деякі сорти стали зберігають намагніченість дуже стійко - їх можна робити постійні магніти. Інші сорти легко перемагнічуються, вони підходять для електромагнітів. Якщо помістити в соленоїд феромагнітний стрижень, то поле, що створюється в ньому, збільшиться в 10-20 тисяч разів.

Таким чином, магнітне поле завжди створюється електричним струмом, або протікає по провіднику, коли заряди переміщаються на відстані в багато разів більше атомних (такі струми називаються макроскопічними), або мікроскопічними(Атомними) струмами.

Магнітне поле землі.Одним із перших спостережень магнітного поля та використання його в прикладних цілях було виявлення магнітного поля Землі. У стародавньому Китаї магнітну стрілку (смуговий магніт) використовували визначення напрями північ, що робиться й у сучасних компасах. Зрозуміло, у внутрішній частині Землі існують деякі струми, які призводять до появи невеликого (приблизно 10 -4 Тл) магнітного поля. Якщо припустити, що воно пов'язане з обертанням Землі, в ній є кругові струми навколо її осі, і відповідне магнітне поле (як поле витка) має бути зорієнтоване всередині Землі вздовж осі її обертання. Лінії індукції мають виглядати, як показано малюнку.

Видно, що північний магнітний полюс Землі знаходиться поблизу її південного географічного полюса. Лінії індукції замикаються у зовнішньому просторі, причому поблизу поверхні землі вони спрямовані вздовж географічних меридіанів. Саме вздовж них у напрямку північ встановлюється північний кінець магнітної стрілки. З магнітним полем Землі пов'язане ще одне важливе явище. З космосу в атмосферу землі надходить велика кількість елементарних частинок, деякі заряджені. Магнітне поле відіграє роль бар'єру для їх потрапляння в нижні шари атмосфери, де вони можуть становити небезпеку. Розглядаючи рух зарядженої частинки в магнітному полі під дією сили Лоренца, ми бачили, що вона починає рухатися гвинтовою лінією вздовж лінії індукції магнітного поля. Це і відбувається із зарядженими частинками у верхніх шарах атмосфери. Рухаючись уздовж ліній, вони «йдуть» до полюсів і входять в атмосферу поблизу географічних полюсів. При взаємодії з молекулами відбувається світіння (випускання світла атомами), що створює північні сяйва. У неполярних широтах не спостерігаються.

Тангенсні вимірювальні прилади.Для вимірювання величини індукції невідомого магнітного поля (наприклад Землі) розумно запропонувати спосіб порівняння цього поля з яким-небудь відомим. Наприклад, із полем довгого прямого струму. Тангенсний методдає такий спосіб порівняння. Припустимо, ми хочемо виміряти горизонтальну складову магнітного поля Землі у певній точці. Розмістимо поряд з нею довгий вертикальний провід, щоб його середина була близько до цієї точки, а довжина була набагато більшою за відстань до неї (малюнок, вид зверху).

Якщо струм у дроті не тече, то магнітна стрілка в точці спостереження встановиться вздовж поля Землі (на малюнку - вгору, вздовж ВЗ). Збільшуватимемо струм у дроті. Стрілка починає відхилятися вліво. Оскільки з'являється поле струму Т, спрямоване на малюнку горизонтально. Повне поле спрямоване по діагоналі прямокутника, як того вимагає правило складання векторів З і В Т. Коли струм досягне деякого значення I 0 , кут, що утворюється стрілкою буде дорівнює 45 0 . Це означає, що здійснилася рівність В З = В Т. Але поле В Т нам відомо. Вимірявши x і I 0 з допомогою амперметра, можна обчислити Т, отже і З. Метод називається тангенсным, оскільки виконано умова .

Якщо вставити в котушку зі струмом стрижень із загартованої сталі, то на відміну від залізного стрижня він не розмагнічується післявимикання струму, а тривалий час зберігає намагніченість.

Тіла, які тривалий час зберігають намагніченість, називають постійними магнітами або просто магнітами.

Французький вчений Ампер пояснював намагніченість заліза і стали електричними струмами, які циркулюють усередині кожної молекули цих речовин. За часів Ампера про будову атома ще нічого не знали, тож природа молекулярних струмів залишалася невідомою.Тепер же ми знаємо, що в кожному атомі є негативно заряджені частинки-електрони, які при своєму русі створюють магнітні поля, вони викликають намагніченість заліза і. сталі.

Магніти можуть мати різноманітну форму. На малюнку 290 зображені дугоподібні та смугові магніти.

Ті місця магніту, де виявляються найсильніші магнітні дії, називають полюсами магніту(Рис. 291). У всякого магніту, як і у відомої нам магнітної стрілки, обов'язково є два полюси; північний (N) та південний (S).

Підносячи магніт до предметів, виготовлених із різних матеріалів, можна встановити, що магнітом притягуються дуже мало хто з них. добре притягуються магнітом чавун, сталь, залізоі деякі сплави значно слабші - нікель і кобальт.

У природі зустрічаються природні магніти (рис. 292) - залізняк (так званий магнітний залізняк). Багаті поклади магнітного залізняку є у нас на Уралі, в Україні, в Карельській АРСР, Курській області та в багатьох інших місцях.

Залізо, сталь, нікель, кобальт та деякі інші сплави у присутності магнітного залізняку набувають магнітних властивостей. Магнітний залізняк дозволив людям вперше ознайомитись із магнітними властивостями тіл.

Якщо магнітну стрілку наблизить до іншої такої самої стрілки, то вони повернуться і встановляться один проти одного протилежними полюсами (рис. 293). Також взаємодіє стрілка і з будь-яким магнітом.Підносячи до полюсів магнітної стрілки магніт, можна побачити, що північний полюс стрілки відштовхується від північного полюса магніту і притягується до південного полюса. Південний полюс стрілки відштовхується від південного полюса магніту і притягується північним полюсом.

На підставі описаних дослідів можна зробити наступний висновок; різноіменнімагнітні полюси притягуються, однойменні відштовхуються.

Взаємодія магнітів пояснюється тим, що навколо будь-якого магніту є магнітне поле. Магнітне поле одного магніту діє інший магніт, і, навпаки, магнітне поле другого магніту діє перший магніт.

За допомогою залізної тирси можна отримати уявлення про магнітне поле постійних магнітів. Малюнок 294 дає уявлення про магнітне поле смугового магніту.Як магнітні лінії магнітного поля струму, і магнітні лінії магнітного поля магніту - замкнуті лінії. Поза магнітом магнітні лінії виходять з північного полюса магніту і входять у південний, замикаючись усередині магніту.

На малюнку 295, а показані магнітні лінії магнітного поля двох магнітів, звернених один до одного однойменними полюсами, а на малюнку 295 б - двох магнітів, звернених один до одного різноіменними полюсами. На малюнку 296 представлені магнітні лінії магнітного поля дугоподібного магніту.

Всі ці картини легко отримати досвід.

Запитання. 1. У чому різниця в намагнічуванні за допомогою струму шматка заліза та шматка сталі? 2, Які тіла називають постійними магнітами? 3. Як Ампер пояснював намагнічування заліза? 4. Як тепер пояснити молекулярні струми Ампера? 5. Що називають магнітними полюсами магніту? 6. Які з відомих речовин притягуються магнітом? 7. Як взаємодіють між собою полюси магнітів? 8. Як за допомогою магнітної стрілки можна визначити полюси біля намагніченого сталевого стрижня? 9. Як можна отримати уявлення про магнітне поле магніту? 10. Що таке магнітні лінії магнітного поля магніту?

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.