Постійні магніти. Магнітне поле постійних магнітів

Взаємозв'язок електричних та магнітних полів помічений дуже давно. Цей зв'язок ще в 19 столітті виявив англійський вчений-фізик Фарадей і дав йому назву. Вона виникає тоді, коли магнітний потік пронизує поверхню замкнутого контуру. Після того, як відбувається зміна магнітного потоку протягом певного часу, в цьому контурі спостерігається поява електричного струму.

Взаємозв'язок електромагнітної індукції та магнітного потоку

Суть магнітного потоку відображається відомою формулою Ф = BS cos α. У ній Ф є магнітним потоком, S – поверхня контуру (площа), В – вектор магнітної індукції. Кут утворюється за рахунок напрямку вектора магнітної індукції і нормалі до поверхні контуру. Звідси випливає, що максимального порога магнітний потік досягне при cos = 1, а мінімального - при cos = 0.

У другому варіанті вектор буде перпендикулярний до нормалі. Виходить, що лінії потоку не перетинають контур, а лише ковзають його площиною. Отже, визначати характеристики будуть лінії вектора, що перетинають поверхню контуру. Для розрахунку як одиниця виміру використовується вебер: 1 вб = 1в х 1с (вольт-секунда). Ще однією, дрібнішою одиницею виміру служить максвел (мкс). Він становить: 1 вб = 108 мкс, тобто 1 мкс = 10-8 вб.

Для дослідження Фарадеєм були використані дві дротяні спіралі, ізольовані між собою та розміщені на котушці з дерева. Одна з них поєднувалася з джерелом енергії, а інша – з гальванометром, призначеним для реєстрації малих струмів. У той момент, коли ланцюг первісної спіралі замикався і розмикався, в іншому ланцюзі стрілка вимірювального пристрою відхилялася.

Проведення досліджень явища індукції

У першій серії дослідів Майкл Фарадей вставляв намагнічений металевий брусок у котушку, підключену до струму, а потім виймав його назовні (мал. 1, 2).

1 2

У разі поміщення магніту в котушку, підключену до вимірювального приладу, в ланцюзі починає протікати індукційний струм. Якщо магнітний брусок видаляється з котушки, індукційний струм все одно з'являється, але його напрямок стає протилежним. Отже, параметри індукційного струму будуть змінені у напрямку руху бруска та залежно від полюса, яким він поміщається в котушку. На силу струму впливає швидкість переміщення магніту.

У другій серії дослідів підтверджується явище, при якому струм, що змінюється, в одній котушці, викликає індукційний струм в іншій котушці (рис. 3, 4, 5). Це відбувається в моменти замикання та розмикання ланцюга. Від того, замикається або розмикається електричний ланцюг, залежатиме і напрямок струму. Крім того, ці дії є ні що інше, як способи зміни магнітного потоку. При замиканні ланцюга він збільшуватиметься, а при розмиканні - зменшуватиметься, одночасно пронизуючи першу котушку.

3 4

5

В результаті дослідів було встановлено, що виникнення електричного струму всередині замкнутого провідного контуру можливе лише в тому випадку, коли вони містяться в змінному магнітному полі. При цьому потік може змінюватися в часі будь-якими способами.

Електричний струм, що з'являється під дією електромагнітної індукції, отримав назву індукційного, хоча це не буде струмом у загальноприйнятому розумінні. Коли замкнутий контур виявляється у магнітному полі, відбувається генерація ЕРС з точним значенням, а чи не струму, залежить від різних опорів.

Дане явище отримало назву ЕРС індукції, яку відображає формула: Еінд = - ∆Ф/∆t. Її значення збігається зі швидкістю змін магнітного потоку, що пронизує поверхню замкнутого контуру, взятого з негативним значенням. Мінус, присутній у цьому вираженні, є відображенням правила Ленца.

Правило Ленца щодо магнітного потоку

Відоме правило було виведено після проведення циклу досліджень у 30-ті роки 19 століття. Воно сформульовано у такому вигляді:

Напрямок індукційного струму, що збуджується в замкнутому контурі магнітним потоком, що змінюється, впливає на створюване ним магнітне поле таким чином, що воно в свою чергу створює перешкоду магнітному потоку, що викликає появу індукційного струму.

Коли магнітний потік збільшується, тобто стає Ф > 0, а ЕРС індукції знижується і стає Еінд< 0, в результате этого появляется электроток с такой направленностью, при которой под влиянием его магнитного поля происходит изменение потока в сторону уменьшения при его прохождении через плоскость замкнутого контура.

Якщо потік знижується, то настає зворотний процес, коли Ф< 0 и Еинд >0, тобто дія магнітного поля індукційного струму відбувається збільшення магнітного потоку, що проходить через контур.

Фізичний зміст правила Ленца полягає у відображенні закону збереження енергії, коли при зменшенні однієї величини інша збільшується, і, навпаки, при збільшенні однієї величини інша зменшуватиметься. Різні чинники впливають і ЕРС індукції. При введенні в котушку по черзі сильного і слабкого магніту, прилад відповідно показуватиме в першому випадку більш високе, а в другому - нижче значення. Те саме відбувається, коли змінюється швидкість руху магніту.

На представленому малюнку видно, як визначається напрямок індукційного струму із застосуванням правила Ленца. Синій колір відповідає силовим лініям магнітних полів індукційного струму та постійного магніту. Вони розташовані у напрямку полюсів від півночі на південь, які є у кожному магніті.

Магнітний потік, що змінюється, призводить до виникнення індукційного електричного струму, напрям якого викликає протидію з боку його магнітного поля, що перешкоджає змінам магнітного потоку. У зв'язку з цим, силові лінії магнітного поля котушки спрямовані у бік, протилежний силовим лініям постійного магніту, оскільки його рух відбувається у бік цієї котушки.

Для визначення напрямку струму використовується з правим різьбленням. Він повинен вкручуватися таким чином, щоб напрям його поступального руху збігався з напрямом індукційних ліній котушки. У цьому випадку напрямки індукційного струму та обертання рукоятки свердловина збігатимуться.

На початку минулого століття набули поширення перші електрохімічні джерела струму. Їхня поява призвела до ряду важливих відкриттів. До них відносяться відкриття електричної дуги і відкриття магнітних проявів струму - електричний струм здатний викликати відхилення магнітної стрілки; дроти з електричним струмом взаємно відштовхуються чи притягуються.

Ряд цих відкриттів завершився знаменитим досвідом Фарадея (1831), значення якого розвитку електротехніки було винятково великим.

Проведення досвіду Фарадея схематично показано на рис. 2.18-2.22. У такому вигляді його неважко здійснити.

На трубку із щільного картону нанесено дві обмотки. Перша може з'єднуватися з джерелом струму, наприклад з акумулятором. Друга обмотка ізольована від першої, тобто між цими обмотками немає електричного з'єднання (немає контакту). Ланцюг другої обмотки замкнутий на магнітоелектричний прилад.

Найважливіше в постановці досвіду полягає в наступному: друга обмотка знаходиться в магнітному полі першої, звичайно, коли в першій обмотка є електричний струм.

Мал. 2.18. Досвід Фарадея. У першій (1) обмотці проходить струм (ланцюг акумулятора замкнутий). Друга (2) обмотка знаходиться у магнітному полі першої обмотки. Незважаючи на це струму в ланцюзі другої обмотки немає: стрілка амперметра стоїть на нулі

Фарадей шукав відповіді на запитання: чи магнітне поле першої обмотки не викликає виникнення електричного струму в другій? Для того, щоб отримати відповідь на це питання, в ланцюг другої обмотки і включений чутливий амперметр (гальванометр).

Картина, зображена на рис. 2.18, дає, здавалося б, негативну відповідь. Магнітне поле змінюється включенням та вимкненням струму. Але проведемо ретельніше наші спостереження, зосередивши увагу на стрілці амперметра якраз у той час, коли ланцюг першої обмотки розривається (рис. 2.19) або, навпаки, замикається (рис. 2.20). В цьому випадку можна помітити, що при розриві ланцюга першої обмотки у другій обмотці виникає струм. Цей струм триває недовго - стрілка трохи відхилиться вправо і знову повернеться в нульове положення (рис. 2.19).

Так само можна помітити виникнення струму в другій обмотці при включенні струму в ланцюг першої обмотки (рис. 2.20).

І цей струм триває недовго - стрілка трохи відхилиться вліво і знову повернеться у вихідне (нульове) положення.

У чому різниця між першим спостереженням (рис. 2.18) і двома наступними?

У першому спостереженні ми мали справу з постійним струмом у першій обмотці, а отже, і з постійним магнітним полем.

Електричний струм може виникати в замкнутому ланцюгу, якщо його дроти знаходяться в магнітному полі, що змінюється.

Мал. 2.19, Досвід Фарадея. Струм першої обмотки розривається. Магнітне поле, де знаходиться друга обмотка, змінюється (воно зникає). Стрілка амперметра, включеного в ланцюг другої обмотки, злегка відкидається праворуч і швидко повертається у вихідне (нульове) положення. Під дією магнітного поля, що змінюється, виникає струм

Мал. 2.20. Досвід Фарадея. Здійснюється включення струму в ланцюг першої обмотки. Магнітне поле, де знаходиться друга обмотка, змінюється (поле виникає). Стрілка амперметра, включеного в ланцюг другої обмотки, трохи відкидається вліво і швидко повертається у вихідне положення. Під дією магнітного поля, що змінюється, виникає струм

Але якщо в ланцюзі проводів виникає струм, значить, у ланцюзі діє ЕРС (згадаймо другий закон Кірхгофа, § 1.20).

Іншими словами:

у проводах електричного кола при зміні магнітного поля виникає (наводиться) ЕРС.

Магнітне поле змінюється запровадженням сталі. Магнітне поле можна змінювати не лише шляхом зміни струму. Ми знаємо, що внесення заліза посилює поле. Значить, якщо всередину нашої картонної труби внести пакет із сталевих пластин (рис. 2.21), то магнітне поле, яке створюється першою котушкою, посилиться.

Мал. 2.21. При всмоктуванні пакета сталевих пластин магнітне поле посилюється. Стрілка амперметра, включеного до ланцюга другої обмотки, відхиляється вліво, як це спостерігається і при включенні струму (див. рис. 2.20)

Мал. 2.22. При видаленні стрижневого магніту від обмотки, замкнутої на амперметр, в обмотці виникає ЕРС

Чи виникає ЕРС у другій обмотці під час всунення пакета?

Досвід дає ствердну відповідь (рис. 2.21). Звернемо увагу на те, що при всмоктуванні сталі стрілка приладу відхиляється в той самий бік, що і при включенні струму.

При висмикуванні сталевого пакета стрілка відхиляється у той самий бік, як і за виключенні струму (в обох випадках магнітне поле зменшується).

Магнітне поле змінюється через переміщення самої котушки. Розглянемо ще один досвід. Магнітне поле створюється обмоткою зі сталевим осердям. Струм в обмотці підтримується акумулятором. Друга обмотка намотана на незалежний картонний каркас (картонне кільце). Ця обмотка замкнута через гнучкий шнур на вимірювальний прилад і не має електричного з'єднання з ланцюгом першої обмотки.

У ланцюзі другої обмотки виникає ЕРС, коли вона видаляється з поля, створюваного першою обмоткою.

Магнітне поле змінюється через рух постійного магніту. Розглянемо ще один досвід, поняття про яке дає рис. 2.22.

При видаленні стрижневого магніту в нерухомій обмотці наводиться ЕРС.

Цей досвід показує, що ЕРС дійсно наводиться саме зміною магнітного поля, а не взаємодією струмів, як здається, наприклад, з дослідів, зображених на рис. 2.19 та 2.20.

Подальші спостереження дозволили встановити багато нових фактів, які, зрештою, вдалося узагальнити, а також важливі загальні закони.

При підключенні до двох паралельних провідників електричного струму вони притягуватимуться або відштовхуватимуться, 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, в античній цивілізації Азії. 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

• Головною відмітною ознакою та 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 забарвлюється у 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 та постійного вигляду. Змінне поле зазвичай створюється спеціальними індукторами, які працюють 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 буравчика 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 джерел сумуються 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 мпрямого 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 пальці розмістити за течією струму, великий палець покаже 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 значення магнітного потоку, який створений від деякої кількості провідників 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 в магнітне поле у ​​неї 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 напрямку зовнішнього поля, тобто, негативне значення магнітної сприйнятливості, яка не 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. Вони при нагріванні здійснюється фазовий перехід речовини, 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 речовин знаходять своє використання у технічних проектах та винаходах.

Магнітні ланцюги

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

За підсумками 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.

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.

Комп'ютерне моделювання дозволяє уявити, як змінюється магнітне полі Землі за зміни полярності. Перш ніж південний магнітний полюс стане північним, а північний південним, вони обоє на деякий час зникнуть, або, що те саме, їх стане багато. Credits Gary Glatzmaier, Paul Roberts

Очікування катастроф лежить у людській природі. Починаючи, як мінімум, з біблійних часів, наші предки чекали чогось поганого: кінця світу, страшного суду, другого пришестя. Чекали та боялися. Продовжують чекати та боятися і наші сучасники. Тільки сучасний світ пропонує набагато більше опцій. Нобелівський лауреат з біології Френсіс Крик у своїй книзі «Життя на Землі, її зародження та сутність» наводить чотири основні причини, через які людство може не дожити до кінця ХXI століття: глобальний збройний конфлікт із використанням зброї масової поразки, фатальне забруднення довкілля, вичерпання необхідні природні ресурси, космічна катастрофа. Ці чотири класи причин розташовані в порядку зменшення їх ймовірності. Кожну її можна деталізувати і доповнювати залежно від сили уяви. У Х столітті люди боялися початку нового тисячоліття, наприкінці XVI століття провісником кінця світу визнали наднову, що спалахнула на небі, на рубежі XIX і ХХ століть було модно боятися комет, що наближаються до Землі. Серед нових страшилок є небезпека «переполюсування», про яку говорять протягом кількох останніх років.

Мова ось про що. Магнітне поле нашої планети має досить складну форму, яку прийнято представляти у вигляді так званого мультипольного розкладання, тобто нескінченної суми елементарних у певному сенсі доданків. Перший доданок у цій сумі називається монопольним, але для Землі (а також для будь-якого іншого відомого нам космічного тіла) воно дорівнює нулю. Простіше кажучи, це означає, що будь-яка магнітна лінія, що почалася на Землі, на Землі і закінчується. Наступне за величиною доданок дипольне. Його створює два нескінченно великих заряду магнітних монополі, розташованих нескінченно близько один до одного, або кільцевий електричний струм нескінченно великої сили і нескінченно малого радіусу. Для Землі це доданок значно більше від інших, оскільки, як нині прийнято вважати, її магнітне полі створюється вихровими рухами рідкого земного ядра. Заряди в ньому переміщаються не дуже швидко, тому струм виходить не дуже великий, зате дуже великий радіус. Але навіть цей великий радіус малий, порівняно з радіусом Землі.

Не означає, що дипольний момент обов'язково найбільше доданок у цій сумі. За деяких обставин він пропадає зовсім. Так сталося, наприклад, на Сонці п'ять років тому. Протягом майже цілого року "з березня 2000 по лютий 2001 року" на Сонці не було ні північного, ні південного магнітного полюса, або, якщо формально вважати магнітним полюсом те місце, де магнітна силова лінія перетинає поверхню зірки або планети паралельно її радіусу, то їх було одночасно щонайменше по два. Магнітне поле при цьому поводиться дуже неспокійно, і в середньому сильно слабшає. Якби щось подібне на Землі, нас чекало б багато неприємностей: затяжна і незвичайно сильна магнітна буря супроводжувалася б ослабленням магнітного поля в середньому. Магнітосфера гірше справлялася б зі своєю найважливішою для біосфери функцією захищати її від потоків заряджених частинок з космосу та з Сонця.

Але і на Землі щось подібне іноді відбувається. Щоправда, набагато рідше, ніж на Сонці. На Сонці магнітні полюси міняються місцями кожні одинадцять років. На Землі востаннє магнітні полюси мінялися місцями 740 тисяч років тому. І є деякі вказівки на те, що настав час пережити це знову. Протягом останніх ста п'ятдесяти років магнітне поле Землі помітно слабшає. Можливо, воно слабшало і раніше, але тепер з'ясувалося, що в період з 1590 по 1840-й воно змінювалося значно повільніше. Про це свідчать старі суднові журнали, досліджені Девідом Габбінсом та його колегами з університету міста Лідс (звіт про їх дослідження було опубліковано в журналі Science. 2006. Vol. 312. No. 5775. P. 900-902)

Їхня ідея полягала в тому, щоб відновити значення дипольного моменту магнітного поля Землі в попередні 1837 року. Саме цього року великий німецький математик Карл Гаус відкрив спосіб безпосереднього виміру дипольного моменту. І з того часу його більш-менш регулярно міряли. Але до того уявлення людей про магнітне поле були найрозпливчастішими. Виявилось, що вихід є. Старі моряки з великою увагою ставилися до свідчень компаса. По-перше, вже за часів пізнього Середньовіччя було відомо, що компас майже ніколи не показує точно на Північ. Легендарний італійський лікар, поет і астроном Джироламо Фракасто (Girolamo Fracastoro, 1478?1553) запропонував навіть найдавніше теоретичне пояснення, що дійшло до нас: магнітну стрілку компаса притягують величезні залізні гори на півночі Атлантичного океану. Саме тому вона ніколи не дивиться точно на північ. З того часу моряки уважно реєстрували, наскільки показ компаса відрізняється від справжнього напрямку на північ. Проблема, щоправда, у тому, що вони рідко могли зробити це з потрібною точністю і часто помилялися.

Але наприкінці XVII століття моряки виявили нову несподіванку: магнітна стрілка не лише «дивиться» повз полюс, вона ще й не паралельна поверхні Землі. На північному магнітному полюсі стрілка компаса взагалі встає вертикально (якщо, звичайно, надати її собі). Тоді справедливо вважали, що знання такого способу (як його прийнято називати) дозволяє уточнювати напрямок на північ за свідченням компаса. А Девіду Габбінсу воно дозволило уточнити саму відмінність між напрямком на північ і свідченням компаса. Але попри все зібраних даних було недостатньо відновлення повної картини зміни дипольного моменту до 1840 року. Однак їх було достатньо для принципового висновку: магнітне поле нашої планети слабшає зі зростаючою швидкістю. Можливо, вона зазнала кілька стрибків за цей час.

В даний час, тобто протягом останніх ста п'ятдесяти років, дипольний момент магнітного поля Землі зменшується приблизно на 0,5% кожні 10 років. Неважко порахувати, що цей компонент поля звернеться в нуль через дві тисячі років. Можливо, це є момент початку наступної зміни полюсів. Нові результати Габбінса показують, що цю оцінку слід переглянути. Дипольний момент звернеться в нуль приблизно вдвічі швидше.

Дослідженням зміни магнітного поля займалися в університеті штату Каліфорнія, відновлюючи дані про силу магнітного поля по орієнтації магнітних частинок у гірській породі та уламках глиняного посуду. Геофізик Гері Глацмайєр (Gary Glatzmaier) використовує ці дані для моделювання процесів, що відбуваються глибоко під поверхнею Землі та беруть участь у створенні магнітного поля. Він вважає, що нове дослідження, виконане в Англії, підтверджує його принципову ідею про нерівномірність зміни магнітного поля, яке може збільшуватися, зменшуватись або залишатися незмінною протягом невизначеного періоду часу. Цілком ймовірно, що припущення про лінійну зміну дипольного моменту між 1590 і 1840 роком занадто грубе. Зрештою, збіг різкої зміни швидкості ослаблення дипольного моменту магнітного поля та відкриття Гауса виглядає трохи підозріло. З рівним успіхом можна припустити, що здебільшого і в період 15901840 поле слабшало приблизно з тією ж швидкістю, але в деякі, відносно короткі проміжки часу воно не слабшало, а навпаки швидко зростало. Через це середня швидкість виявилася вдвічі нижчою. Цілком можливо, що за 740 тисяч років, що минули з моменту останнього «переполюсування», Земля не раз починала цей процес знову, але потім поверталася до вихідного стану.