МАГНИТНОЕ ПОЛЕ: НАПРЯЖЕННОСТЬ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ИСТОЧНИКИ, ПРИМЕРЫ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2024

Магнитное поле является влияние , что движущиеся электрические заряды на пространстве , которое окружает их. У зарядов всегда есть электрическое поле, но только те, которые находятся в движении, могут создавать магнитные эффекты.

О существовании магнетизма известно давно. Древние греки описали минерал, способный притягивать куски железа: это был магнитный камень или магнетит.

Рисунок 1. Образец магнетита. Источник: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Мудрецы Фалес Милетский и Платон были заняты записью магнитных эффектов в своих писаниях; кстати, они знали еще и статическое электричество.

Но магнетизм не стал ассоциироваться с электричеством до 19 века, когда Ганс Христиан Эрстед заметил, что компас отклоняется в непосредственной близости от токопроводящего провода.

Сегодня мы знаем, что электричество и магнетизм - это, так сказать, две стороны одной медали.

Магнитное поле в физике

В физике термин магнитное поле - это векторная величина с модулем (его числовое значение), направлением в пространстве и смыслом. Он также имеет два значения. Первый вектор иногда называют магнитной индукции и обозначается B .

Единицей измерения B в Международной системе единиц является тесла, сокращенно T. Другая величина, также называемая магнитным полем, - H , также известная как напряженность магнитного поля и единица измерения - ампер / метр.

Обе величины пропорциональны, но они определены таким образом, чтобы учесть влияние магнитных материалов на поля, проходящие через них.

Если материал находится в центре внешнего магнитного поля, результирующее поле будет зависеть от этого, а также от собственного магнитного отклика материала. Вот почему B и H связаны между собой:

В = М _м Н

Здесь μ _m - константа, которая зависит от материала и имеет подходящие единицы измерения, так что при умножении на H результат равен тесла.

С

-Магнитное поле - это величина вектора, поэтому у него есть величина, направление и смысл.

-Единицей магнитного поля B в Международной системе является тесла, обозначаемая сокращенно T, а H - ампер / метр. Другие единицы, которые часто встречаются в литературе, - это гаусс (G) и эрстед.

-Линии магнитного поля всегда представляют собой замкнутые петли, выходящие с северного полюса и входящие в южный полюс. Поле всегда касается линий.

-Магнитные полюса всегда представлены в паре Север-Юг. Изолированный магнитный полюс невозможен.

-Это всегда происходит из-за движения электрических зарядов.

-Его интенсивность пропорциональна величине нагрузки или тока, который ее производит.

-Величина магнитного поля уменьшается пропорционально квадрату расстояния.

-Магнитные поля могут быть постоянными или переменными как во времени, так и в пространстве.

-Магнитное поле способно воздействовать магнитной силой на движущийся заряд или на провод, по которому проходит ток.

Полюса магнита

У стержневого магнита всегда есть два магнитных полюса: северный полюс и южный полюс. Очень легко проверить, что полюса одного знака отталкиваются, а полюса разных типов - притягиваются.

Это очень похоже на то, что происходит с электрическими зарядами. Также можно заметить, что чем они ближе, тем с большей силой они притягивают или отталкивают друг друга.

Стержневые магниты имеют характерный рисунок силовых линий. Это резкие кривые, выходящие за северный полюс и входящие в южный полюс.

Рис. 2. Силовые линии магнитного поля стержневого магнита. Источник: Wikimedia Commons.

Простой эксперимент, чтобы посмотреть на эти линии, - это расстелить железные опилки поверх листа бумаги и поместить под ним стержневой магнит.

Интенсивность магнитного поля дана как функция плотности силовых линий. Они всегда наиболее плотны около полюсов и расширяются по мере удаления от магнита.

Магнит также известен как магнитный диполь, в котором два полюса точно являются северным и южным магнитными полюсами.

Но их невозможно разделить. Если разрезать магнит пополам, вы получите два магнита, каждый со своим северным и южным полюсами. Изолированные полюса называются магнитными монополями, но на сегодняшний день ни один из них не изолирован.

источники

Можно говорить о различных источниках магнитного поля. Они варьируются от магнитных минералов до самой Земли, которая ведет себя как большой магнит, до электромагнитов.

Но правда в том, что каждое магнитное поле возникает из движения заряженных частиц.

Позже мы увидим, что изначальный источник всего магнетизма находится в крошечных токах внутри атома, в основном тех, которые возникают из-за движений электронов вокруг ядра и квантовых эффектов, присутствующих в атоме.

Однако, что касается его макроскопического происхождения, можно думать о естественных источниках и искусственных источниках.

Природные источники в принципе не «выключаются», они являются постоянными магнитами, однако необходимо учитывать, что тепло разрушает магнетизм веществ.

Что касается искусственных источников, то магнитный эффект можно подавить и контролировать. Поэтому у нас есть:

-Магниты природного происхождения, изготовленные из магнитных минералов, таких как магнетит и маггемит, например, оксидов железа.

-Электрические токи и электромагниты.

Магнитные минералы и электромагниты

В природе существуют различные соединения, проявляющие замечательные магнитные свойства. Они способны притягивать куски железа и никеля, например, а также другие магниты.

Упомянутые оксиды железа, такие как магнетит и маггемит, являются примерами этого класса веществ.

Магнитная восприимчивость - это параметр, который используется для количественной оценки магнитных свойств горных пород. Основные магматические породы являются наиболее восприимчивыми из-за высокого содержания магнетита.

С другой стороны, до тех пор, пока у вас есть провод, по которому течет ток, будет соответствующее магнитное поле. Здесь у нас есть другой способ создания поля, которое в данном случае принимает форму концентрических окружностей с проволокой.

Направление движения поля задается правилом большого пальца правой руки. Когда большой палец правой руки будет указывать в направлении течения, четыре оставшихся пальца будут указывать направление, в котором изгибаются силовые линии.

Рис. 3. Правило большого пальца правой руки для определения направления и ощущения магнитного поля. Источник: Wikimedia Commons.

Электромагнит - это устройство, которое производит магнетизм из электрических токов. Его преимущество в том, что он может включаться и выключаться по желанию. Когда ток прекращается, магнитное поле исчезает. Кроме того, можно контролировать интенсивность поля.

Электромагниты являются частью различных устройств, включая динамики, жесткие диски, двигатели и реле.

Магнитная сила на движущемся заряде

Существование магнитного поля B можно проверить с помощью тестового электрического заряда, называемого q-, который движется со скоростью v . Для этого исключено наличие электрического и гравитационного полей, по крайней мере, на данный момент.

В таком случае сила, испытываемая зарядом q, обозначаемая как F _B , полностью обусловлена ​​влиянием поля. Качественно наблюдается следующее:

-Величина F _B пропорциональна q и скорости v.

-Если v параллельна вектору магнитного поля, величина F _B равна нулю.

-Магнитная сила перпендикулярна как v, так и B.

-Наконец, величина магнитной силы пропорциональна sin θ, где θ - угол между вектором скорости и вектором магнитного поля.

Все вышесказанное справедливо как для положительных, так и для отрицательных зарядов. Единственная разница в том, что направление магнитной силы меняется на противоположное.

Эти наблюдения согласуются с векторным произведением двух векторов, так что магнитная сила, испытываемая точечным зарядом q, движущимся со скоростью v в центре магнитного поля, равна:

F _B = q v x B

Чей модуль:

Рис. 4. Правило правой руки для магнитной силы, действующей на точечный положительный заряд. Источник: Wikimedia Commons.

Как создается магнитное поле?

Есть несколько способов, например:

-Путем намагничивания подходящего вещества.

- Пропускание электрического тока через токопроводящий провод.

Но происхождение магнетизма в материи объясняется тем, что он должен быть связан с движением зарядов.

Электрон, вращающийся вокруг ядра, представляет собой крошечный замкнутый контур тока, но он способен вносить существенный вклад в магнетизм атома. В куске магнитного материала очень много электронов.

Этот вклад в магнетизм атома называется орбитальным магнитным моментом. Но это еще не все, потому что перенос - это не единственное движение электрона. Он также имеет магнитный спиновый момент, квантовый эффект, аналогичный эффекту вращения электрона вокруг своей оси.

Фактически, магнитный момент спина является основной причиной магнетизма атома.

Типы

Магнитное поле может принимать различные формы, в зависимости от распределения токов, которые его создают. В свою очередь, он может меняться не только в пространстве, но и во времени, или и то, и другое одновременно.

-Вблизи полюсов электромагнита есть примерно постоянное поле.

-Также внутри соленоида получается однородное поле высокой интенсивности с силовыми линиями, направленными вдоль осевой оси.

-Магнитное поле Земли довольно хорошо аппроксимирует поле стержневого магнита, особенно вблизи поверхности. Далее солнечный ветер изменяет электрические токи и значительно деформирует их.

-Провод, по которому проходит ток, имеет поле в виде концентрических окружностей с проводом.

Что касается того, может ли поле меняться со временем, у нас есть:

-Статические магнитные поля, когда ни их величина, ни направление не меняются с течением времени. Поле стержневого магнита - хороший пример этого типа поля. Также те, которые происходят от проводов, по которым протекает стационарный ток.

-Переменные поля с течением времени, если какая-либо из их характеристик изменяется с течением времени. Один из способов получить их - использовать генераторы переменного тока, в которых используется явление магнитной индукции. Они присутствуют во многих широко используемых устройствах, например, в сотовых телефонах.

Закон Био-Савара

Когда требуется вычислить форму магнитного поля, создаваемого распределением токов, можно использовать закон Био-Савара, открытый в 1820 году французскими физиками Жаном Мари Био (1774-1862) и Феликсом Саваром (1791-1841). ).

Для некоторых распределений тока с простой геометрией математическое выражение для вектора магнитного поля может быть получено напрямую.

Предположим, у нас есть отрезок провода дифференциальной длины dl, по которому проходит электрический ток I. Предполагается, что проволока находится в вакууме. Магнитное поле, создающее это распределение:

-Уменьшается с обратным квадрату расстояния до провода.

-Это пропорционально силе тока I, проходящего по проводу.

-Его направление является касательным к окружности радиуса r с центром на проводе, а его направление задается правилом большого пальца правой руки.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Тт / А

- d B - дифференциал магнитного поля.

- I - сила тока, протекающего по проводу.

- r - расстояние между центром провода и точкой, в которой вы хотите найти поле.

-r - это вектор, идущий от провода до точки, где вы хотите вычислить поле.

Примеры

Ниже приведены два примера магнитного поля и их аналитические выражения.

Магнитное поле, создаваемое очень длинным прямолинейным проводом

С помощью закона Био-Савара можно получить поле, создаваемое тонким проводником конечной длины, по которому проходит ток I. Путем интегрирования по проводнику и с учетом предельного случая, когда он очень длинный, величина поля результат:

Поле, создаваемое катушкой Гельмгольца

Катушка Гельмгольца состоит из двух одинаковых концентрических круглых катушек, по которым пропускается одинаковый ток. Они служат для создания внутри него примерно однородного магнитного поля.

Рисунок 5. Схема катушек Гельмгольца. Источник: Wikimedia Commons.

Его величина в центре катушки:

Y направлен по осевой оси. Факторы уравнения:

- N представляет количество витков катушек

- I - величина тока

- μ _o - магнитная проницаемость вакуума

- R - радиус витков.

Ссылки

1. Фигероа, Д. (2005). Серия: Физика для науки и техники. Том 1. Кинематика. Отредактировал Дуглас Фигероа (USB).
2. Магнитное поле силы Н . Получено с: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Киркпатрик, Л. 2007. Физика: взгляд на мир. 6-е сокращенное издание. Cengage Learning.
4. Магнитное поле и магнитные силы. Получено с: Physics.ucf.edu.
5. Рекс, А. 2011. Основы физики. Пирсон.
6. Сервей, Р., Джуэтт, Дж. (2008). Физика для науки и техники. Том 2. 7-е. Под ред. Cengage Learning.
7. Университет Виго. Примеры магнетизма. Получено с: quintans.webs.uvigo.es