Liniile de câmp magnetic. III. Fundamentele electrodinamicii
Să înțelegem împreună ce este un câmp magnetic. La urma urmei, mulți oameni trăiesc în acest domeniu toată viața și nici măcar nu se gândesc la asta. Este timpul să o reparăm!
Un câmp magnetic
Un câmp magnetic- un tip special de materie. Se manifestă prin acțiunea asupra sarcinilor electrice în mișcare și a corpurilor care au propriul moment magnetic (magneți permanenți).
Important: câmpul magnetic nu afectează sarcinile staționare! Un câmp magnetic este creat și prin mișcarea sarcinilor electrice sau prin modificarea în timp câmp electric, sau momentele magnetice ale electronilor din atomi. Adică orice fir prin care trece curent devine și el magnet!
Un corp care are propriul său câmp magnetic.
Un magnet are poli numiti nord si sud. Denumirile „nord” și „sud” sunt date doar pentru comoditate (cum ar fi „plus” și „minus” în electricitate).
Câmpul magnetic este reprezentat de linii electrice magnetice. Liniile de forță sunt continue și închise, iar direcția lor coincide întotdeauna cu direcția de acțiune a forțelor câmpului. Dacă așchii de metal sunt împrăștiați în jurul unui magnet permanent, particulele de metal vor arăta o imagine clară a liniilor de forță camp magnetic, părăsind nordul și intrând în polul sud. Caracteristica grafică a unui câmp magnetic - linii de forță.
Caracteristicile câmpului magnetic
Principalele caracteristici ale câmpului magnetic sunt inducție magnetică, flux magneticȘi permeabilitatea magnetică. Dar să vorbim despre totul în ordine.
Să observăm imediat că toate unitățile de măsură sunt date în sistem SI.
Inductie magnetica B – vector cantitate fizica, care este principala forță caracteristică câmpului magnetic. Notat prin scrisoare B . Unitatea de măsură a inducției magnetice – Tesla (T).
Inducția magnetică arată cât de puternic este câmpul prin determinarea forței pe care o exercită asupra unei sarcini. Această forță se numește forța Lorentz.
Aici q - taxa, v - viteza sa într-un câmp magnetic, B - inducție, F - Forța Lorentz cu care câmpul acționează asupra sarcinii.
F– o mărime fizică egală cu produsul inducției magnetice prin aria circuitului și cosinusul dintre vectorul de inducție și normala la planul circuitului prin care trece fluxul. Flux magnetic- caracteristica scalară a câmpului magnetic.
Putem spune că fluxul magnetic caracterizează numărul de linii de inducție magnetică care pătrund într-o unitate de suprafață. Fluxul magnetic este măsurat în Weberach (Wb).
Permeabilitatea magnetică– coeficient care determină proprietățile magnetice ale mediului. Unul dintre parametrii de care depinde inducerea magnetică a unui câmp este permeabilitatea magnetică.
Planeta noastră a fost un magnet imens de câteva miliarde de ani. Inducerea câmpului magnetic al Pământului variază în funcție de coordonate. La ecuator este de aproximativ 3,1 ori 10 la minus a cincea putere a lui Tesla. În plus, există anomalii magnetice în care valoarea și direcția câmpului diferă semnificativ de zonele învecinate. Unele dintre cele mai mari anomalii magnetice de pe planetă - KurskȘi Anomalii magnetice braziliene.
Originea câmpului magnetic al Pământului rămâne încă un mister pentru oamenii de știință. Se presupune că sursa câmpului este miezul de metal lichid al Pământului. Miezul se mișcă, ceea ce înseamnă că aliajul topit fier-nichel se mișcă, iar mișcarea particulelor încărcate este electricitate, generând un câmp magnetic. Problema este că această teorie ( geodinam) nu explică modul în care câmpul este menținut stabil.
Pământul este un uriaș dipol magnetic. Polii magnetici nu coincid cu cei geografici, desi sunt in imediata apropiere. În plus, polii magnetici ai Pământului se mișcă. Deplasarea lor a fost înregistrată din 1885. De exemplu, în ultima sută de ani, polul magnetic din emisfera sudică s-a deplasat cu aproape 900 de kilometri și este acum situat în Oceanul de Sud. Polul emisferei arctice se deplasează prin Oceanul Arctic până în anomalia magnetică din Siberia de Est, viteza sa de mișcare (conform datelor din 2004) a fost de aproximativ 60 de kilometri pe an. Acum există o accelerare a mișcării polilor - în medie, viteza crește cu 3 kilometri pe an.
Care este semnificația câmpului magnetic al Pământului pentru noi?În primul rând, câmpul magnetic al Pământului protejează planeta de razele cosmice și vântul solar. Particulele încărcate din spațiul adânc nu cad direct pe pământ, ci sunt deviate de un magnet gigant și se mișcă de-a lungul liniilor sale de forță. Astfel, toate lucrurile vii sunt protejate de radiațiile dăunătoare.
De-a lungul istoriei Pământului au avut loc mai multe evenimente. inversiuni(modificări) polilor magnetici. inversarea polului- aici se schimbă locul. Ultima dată când a avut loc acest fenomen a fost acum aproximativ 800 de mii de ani, iar în total au existat peste 400 de inversiuni geomagnetice în istoria Pământului Unii oameni de știință cred că, având în vedere accelerația observată a mișcării polilor magnetici, următorul pol. inversarea ar trebui să fie așteptată în următoarele două mii de ani.
Din fericire, încă nu se așteaptă o schimbare a polului în secolul nostru. Aceasta înseamnă că vă puteți gândi la lucruri plăcute și vă puteți bucura de viață în câmpul constant bun al Pământului, având în vedere proprietățile și caracteristicile de bază ale câmpului magnetic. Și ca să poți face asta, există autorii noștri, cărora le poți încredința cu încredere unele dintre necazurile educaționale! și alte tipuri de lucrări pe care le puteți comanda folosind link-ul.
În urmă cu aproximativ două mii și jumătate de ani, oamenii au descoperit că unii pietre naturale au capacitatea de a atrage fierul. Această proprietate a fost explicată prin prezența unui suflet viu în aceste pietre și o anumită „dragoste” pentru fier.
Astăzi știm deja că aceste pietre sunt magneți naturali, iar câmpul magnetic, și nu o locație specială față de fier, creează aceste efecte. Un câmp magnetic este un tip special de materie care este diferit de materie și există în jurul corpurilor magnetizate.
Magneți permanenți
Magneții naturali, sau magnetiții, nu sunt foarte puternici proprietăți magnetice. Dar omul a învățat să creeze magneți artificiali cu o putere semnificativ mai mare a câmpului magnetic. Sunt realizate din aliaje speciale și sunt magnetizate de un câmp magnetic extern. Și după aceea pot fi folosite independent.
Liniile de câmp magnetic
Orice magnet are doi poli, ei se numesc poli nord și sud. La poli concentrația câmpului magnetic este maximă. Dar între poli și câmpul magnetic nu este situat în mod arbitrar, ci sub formă de dungi sau linii. Se numesc linii de câmp magnetic. Detectarea lor este destul de simplă - doar plasați pilitura de fier împrăștiată într-un câmp magnetic și agitați-le ușor. Ele nu vor fi localizate în niciun fel, ci formează un fel de model de linii care încep la un pol și se termină la celălalt. Aceste linii par să iasă dintr-un pol și să intre în celălalt.
Pilitura de fier din câmpul unui magnet se magnetizează ea însăși și sunt plasate de-a lungul liniilor magnetice de forță. Exact așa funcționează o busolă. Planeta noastră este un mare magnet. Acul busolei preia câmpul magnetic al Pământului și, rotindu-se, este situat de-a lungul liniilor de forță, cu un capăt îndreptat către polul magnetic nord, celălalt spre sud. Polii magnetici ai Pământului sunt ușor nealiniați cu cei geografici, dar atunci când călătoriți departe de poli, acest lucru nu contează de mare importanta, și pot fi considerate coincidente.
Magneți variabili
Domeniul de aplicare al magneților în timpul nostru este extrem de larg. Ele pot fi găsite în interiorul motoarelor electrice, telefoanelor, difuzoarelor și dispozitivelor radio. Chiar și în medicină, de exemplu, atunci când o persoană înghite un ac sau un alt obiect de fier, acesta poate fi îndepărtat fără intervenție chirurgicală cu o sondă magnetică.
Liniile de câmp magnetic
Câmpurile magnetice, la fel ca și cele electrice, pot fi reprezentate grafic folosind linii de forță. O linie de câmp magnetic sau linie de inducție a câmpului magnetic este o linie a cărei tangentă în fiecare punct coincide cu direcția vectorului de inducție a câmpului magnetic.
 |  |
|
| A) | b) | V) |
Orez. 1.2. linii de câmp magnetic de curent continuu (a),
curent circular (b), solenoid (c)
Liniile de forță magnetice, ca și liniile electrice, nu se intersectează. Ele sunt desenate cu o astfel de densitate încât numărul de linii care traversează o unitate de suprafață perpendiculară pe ele este egal cu (sau proporțional cu) mărimea inducției magnetice a câmpului magnetic într-o locație dată.
În fig. 1.2, A Sunt afișate liniile de câmp ale curentului continuu, care sunt cercuri concentrice, al căror centru este situat pe axa curentului, iar direcția este determinată de regula șurubului din dreapta (curentul din conductor este direcționat către cititor).
Liniile de inducție magnetică pot fi „dezvăluite” folosind pilitura de fier, care se magnetizează în câmpul studiat și se comportă ca niște mici ace magnetice. În fig. 1.2, b sunt prezentate linii de câmp magnetic de curent circular. Câmpul magnetic al solenoidului este prezentat în Fig. 1.2, V.
Liniile de câmp magnetic sunt închise. Câmpurile cu linii de forță închise se numesc câmpuri de vortex. Este evident că câmpul magnetic este un câmp vortex. Aceasta este diferenta semnificativa câmp magnetic de la electrostatic.
Într-un câmp electrostatic, liniile de forță sunt întotdeauna deschise: încep și se termină la sarcini electrice. Liniile magnetice de forță nu au nici început, nici sfârșit. Acest lucru corespunde faptului că nu există sarcini magnetice în natură.
1.4. Legea Biot-Savart-Laplace
Fizicienii francezi J. Biot și F. Savard au efectuat un studiu în 1820 asupra câmpurilor magnetice create de curenții care curg prin fire subțiri diverse forme. Laplace a analizat datele experimentale obținute de Biot și Savart și a stabilit o relație care a fost numită legea Biot-Savart-Laplace.
Conform acestei legi, inducția câmpului magnetic a oricărui curent poate fi calculată ca o sumă vectorială (suprapunere) a inducțiilor câmpului magnetic creat de secțiuni elementare individuale ale curentului. Pentru inducția câmpului magnetic, creat de element lungimea curentă, Laplace a obținut formula:
, (1.3)
unde este un vector, modulo egal cu lungimea element conductor și care coincide în direcția curentului (fig. 1.3); – vector rază trasat de la element până la punctul în care este determinat; – modulul vectorului rază.
Un câmp magnetic - putere camp , acționând asupra sarcinilor electrice în mișcare și asupra corpurilor cu magnetic moment, indiferent de starea mișcării lor;magnetic componentă a electromagnetică câmpuri .
Liniile de câmp magnetic sunt linii imaginare, tangentele la care în fiecare punct al câmpului coincid în direcție cu vectorul de inducție magnetică.
Pentru un câmp magnetic, principiul suprapunerii este valabil: în fiecare punct al spațiului vectorul de inducție magnetică B∑ → B∑→creată în acest moment de toate sursele de câmpuri magnetice este egală cu suma vectorială a vectorilor de inducție magnetică Bk→ Bk→create în acest moment de toate sursele de câmpuri magnetice:
28. Legea Biot-Savart-Laplace. Legea curentului total.
Formularea legii lui Biot-Savart-Laplace este următoarea: La trecere curent continuu de-a lungul unui contur inchis situat in vid, pentru un punct situat la distanta r0 de contur, inductia magnetica va avea forma.
unde I este curentul din circuit
contur gamma de-a lungul căruia are loc integrarea
r0 punct arbitrar
Legea actuală totală Aceasta este legea care leagă circulația vectorului intensității câmpului magnetic și a curentului.
Circulația vectorului intensității câmpului magnetic de-a lungul circuitului este egală cu suma algebrică a curenților acoperiți de acest circuit.
29. Câmp magnetic al unui conductor purtător de curent. Momentul magnetic al curentului circular.
30. Efectul unui câmp magnetic asupra unui conductor purtător de curent. legea lui Ampere. Interacțiunea curenților .
F = B I l sinα ,
Unde α - unghiul dintre inducția magnetică și vectorii de curent,B - inducția câmpului magnetic,eu - puterea curentului în conductor,l - lungimea conductorului.
Interacțiunea curenților. Dacă două fire sunt conectate la un circuit DC, atunci: Conductoarele paralele, strâns distanțate, conectate în serie, se resping reciproc. Conductorii conectați în paralel se atrag unul pe altul.
31. Efectul câmpurilor electrice și magnetice asupra unei sarcini în mișcare. forța Lorentz.
forța Lorentz - forta, cu care câmp electromagnetic conform clasicului (non-cuantic) electrodinamică actioneaza asupra punct taxat particulă. Uneori, forța Lorentz se numește forța care acționează cu viteza asupra unui obiect în mișcare încărca numai din exterior camp magnetic, adesea forță totală - din câmpul electromagnetic în general , cu alte cuvinte, din exterior electric Și magnetic câmpuri.
32. Efectul unui câmp magnetic asupra materiei. Dia-, para- și feromagneți. Histerezis magnetic.
B= B 0 + B 1
Unde B⃗ B→ - inducerea câmpului magnetic în materie; B⃗ 0 B→0 - inducția câmpului magnetic în vid, B⃗ 1 B→1 - inducerea magnetică a câmpului rezultat din magnetizarea substanței.
Substanțe pentru care permeabilitatea magnetică este puțin mai mică decât unitatea (μ< 1), называются materiale diamagnetice, puțin mai mare decât unitatea (μ > 1) - paramagnetic.
feromagnet - substanță sau material în care se observă un fenomen feromagnetism, adică apariția magnetizării spontane la o temperatură sub temperatura Curie.
Magnetic histerezis - fenomen dependențe vector magnetizare Și vector puterea magnetică câmpuri V substanţă Nu numai din atașat extern câmpuri, Dar Și din fundal din această probă
Ce știm despre liniile de câmp magnetic, cu excepția faptului că în spațiul local lângă magneți permanenți sau conductori purtători de curent, există un câmp magnetic care se manifestă sub formă de linii de forță sau într-o combinație mai familiară - sub formă de magnetice linii de forță?
Există foarte mod convenabil obțineți o imagine clară a liniilor câmpului magnetic folosind pilitura de fier. Pentru a face acest lucru, trebuie să presărați niște pilitură de fier pe o foaie de hârtie sau carton și să aduceți unul dintre polii magnetului de dedesubt. Rumegul este magnetizat și aranjat de-a lungul liniilor câmpului magnetic sub formă de lanțuri de micromagneți. În fizica clasică, liniile de câmp magnetic sunt definite drept linii de câmp magnetic, tangentele la care în fiecare punct indică direcția câmpului în acel punct.
Folosind exemplul mai multor figuri cu locații diferite ale liniilor de câmp magnetic, să luăm în considerare natura câmpului magnetic din jurul conductorilor purtători de curent și magneților permanenți.
Figura 1 arată imaginea liniilor de forță magnetică ale unei bobine circulare cu curent, iar Figura 2 arată imaginea liniilor de forță magnetică din jurul unui fir drept cu curent. În Fig. 2, în locul rumegușului sunt folosite săgeți magnetice mici. Această figură arată cum, atunci când direcția curentului se schimbă, se schimbă și direcția liniilor câmpului magnetic. Relația dintre direcția curentului și direcția liniilor de forță magnetică este determinată, de obicei, folosind „regula brațului”, a cărei rotație a mânerului va arăta direcția liniilor de forță magnetică dacă brațul este înșurubat în direcția curentului.
Figura 3 prezintă o imagine a liniilor de forță magnetică ale unui magnet cu bandă, iar Figura 4 prezintă o imagine a liniilor de forță magnetică ale unui solenoid lung cu curent. De remarcat este asemănarea în locația externă a liniilor câmpului magnetic din ambele figuri (Fig. 3 și Fig. 4). Liniile de forță de la un capăt al solenoidului cu curent se întind la celălalt în același mod ca și cu un magnet cu bandă. Însăși forma liniilor de forță magnetică din afara solenoidului cu curent este identică cu forma liniilor unui magnet de bandă. Un solenoid purtător de curent are, de asemenea, poli nord și sud și o zonă neutră. Doi solenoizi purtători de curent sau un solenoid și un magnet interacționează ca doi magneți.
Ce puteți vedea privind imaginile câmpurilor magnetice ale magneților permanenți, conductoare drepte purtătoare de curent sau bobine purtătoare de curent folosind pilitură de fier? caracteristica principală Liniile de forță magnetică, așa cum se arată în imaginile aranjamentului rumegușului, reprezintă închiderea lor. O altă caracteristică a liniilor de forță magnetică este direcția lor. Un mic ac magnetic plasat în orice punct al câmpului magnetic, cu el polul Nord va indica direcția liniilor câmpului magnetic. Pentru a fi sigur, am convenit să presupunem că liniile câmpului magnetic provin din nord pol magneticîndepărtează magnetul și intră în polul său sudic. Spațiul magnetic local din apropierea magneților sau a conductorilor purtători de curent este un mediu elastic continuu. Elasticitatea acestui mediu este confirmată de numeroase experimente, de exemplu, cu respingerea unor poli similari ai magneților permanenți.
Chiar și mai devreme, am emis ipoteza că câmpul magnetic din jurul magneților sau conductoarelor purtătoare de curent este un mediu elastic continuu cu proprietăți magnetice, în care se formează unde de interferență. Unele dintre aceste valuri sunt închise. Este în acest continuu mediu elastic se formează un model de interferență al liniilor de câmp magnetic, care se manifestă folosind pilitura de fier. Un mediu continuu este creat de radiațiile din surse din microstructura materiei.
Să ne amintim experimentele privind interferența undelor dintr-un manual de fizică, în care o placă oscilantă cu două puncte lovește apa. Acest experiment arată că intersecția reciprocă a două unde în unghiuri diferite nu are niciun efect asupra mișcării lor ulterioare. Cu alte cuvinte, undele trec unele prin altele fără a afecta în continuare propagarea fiecăruia dintre ele. Pentru undele luminoase (electromagnetice) același model este adevărat.
Ce se întâmplă în acele zone ale spațiului în care două valuri se intersectează (Fig. 5) - se suprapun una peste alta? Fiecare particulă a mediului situată pe calea a două unde participă simultan la oscilațiile acestor unde, adică. mișcarea sa este suma oscilațiilor a două unde. Aceste oscilații reprezintă o imagine a undelor de interferență cu maximele și minimele lor ca rezultat al suprapunerii a două sau Mai mult valuri, adică adăugarea oscilaţiilor lor în fiecare punct al mediului prin care trec aceste unde. Experimentele au stabilit că fenomenul de interferență se observă atât în undele care se propagă în medii, cât și în undele electromagnetice, adică interferența este exclusiv o proprietate a undelor și nu depinde nici de proprietățile mediului, nici de prezența acestuia. Trebuie amintit că interferența undelor are loc cu condiția ca oscilațiile să fie coerente (armonizate), adică. oscilațiile trebuie să aibă o diferență de fază constantă în timp și aceeași frecvență.
În cazul nostru cu pilitura de fier, liniile de forță magnetică sunt liniile cu cel mai mare număr de pilituri situate la maximele undelor de interferență, iar liniile cu mai puține pilituri sunt situate între maximele (la minimele) ale undelor de interferență.
Pe baza ipotezei de mai sus se pot trage următoarele concluzii.
1. Un câmp magnetic este un mediu care se formează lângă un magnet permanent sau un conductor cu curent ca urmare a emisiei de unde micromagnetice individuale din surse din microstructura magnetului sau conductorului.
2. Aceste unde micromagnetice interacționează în fiecare punct al câmpului magnetic, formând un model de interferență sub formă de linii de câmp magnetic.
3. Undele micromagnetice sunt vortexuri de microenergie închise cu micro poli care se pot atrage unul pe altul, formând linii elastice închise.
4. Microsursele din microstructura materiei, emitând unde micromagnetice care formează un model de interferență al câmpului magnetic, au aceeași frecvență de oscilație, iar radiația lor are o diferență de fază constantă în timp.
Cum are loc procesul de magnetizare a corpurilor, care duce la formarea unui câmp magnetic în jurul lor, adică ce procese au loc în microstructura magneților și a conductorilor purtători de curent? Pentru a răspunde la aceasta și la alte întrebări, este necesar să ne amintim câteva caracteristici ale structurii atomului.
