Какво прави магнитното поле? Магнитно поле: причини и характеристики

Това е силово поле, което влияе върху електрически заряди и тела, които се движат и имат магнитен момент, независимо от състоянието на тяхното движение. Магнитното поле е част от електромагнитното поле.

Токът на заредените частици или магнитните моменти на електроните в атомите създават магнитно поле. Също така, магнитно поле възниква в резултат на определени временни промени в електрическото поле.

Векторът на индукция на магнитното поле B е основната силова характеристика на магнитното поле. В математиката B = B (X,Y,Z) се определя като векторно поле. Тази концепция служи за дефиниране и уточняване на физическото магнитно поле. В науката векторът на магнитната индукция често за краткост се нарича просто магнитно поле. Очевидно такова приложение позволява някаква свободна интерпретация на тази концепция.

Друга характеристика на магнитното поле на тока е векторният потенциал.

В научната литература често можете да намерите, че векторът на силата на магнитното поле се счита за основна характеристика на магнитното поле, при липса на магнитна среда (вакуум). Формално тази ситуация е напълно приемлива, тъй като във вакуум векторът на силата на магнитното поле H и векторът на магнитната индукция B съвпадат. В същото време векторът на силата на магнитното поле в магнитна среда не е изпълнен със същия физически смисъл и е вторична величина. Въз основа на това, при формалното равенство на тези подходи за вакуум, систематичната гледна точка счита векторът на магнитната индукция е основната характеристика на магнитното поле на тока.

Магнитното поле, разбира се, е специален вид материя. С помощта на тази материя възниква взаимодействие между тези с магнитен момент и движещи се заредени частици или тела.

Специалната теория на относителността разглежда магнитните полета като следствие от съществуването на самите електрически полета.

Заедно магнитните и електрическите полета образуват електромагнитно поле. Прояви на електромагнитното поле са светлината и електромагнитните вълни.

Квантовата теория на магнитното поле разглежда магнитното взаимодействие като отделен случай на електромагнитно взаимодействие. Носи се от безмасов бозон. Бозонът е фотон, частица, която може да се разглежда като квантово възбуждане на електромагнитно поле.

Магнитното поле се генерира или от ток от заредени частици, или от електрическо поле, трансформиращо се във време-пространството, или от собствените магнитни моменти на частиците. За еднакво възприемане магнитните моменти на частиците формално се свеждат до електрически токове.

Изчисляване на стойността на магнитното поле.

Простите случаи позволяват да се изчислят стойностите на магнитното поле на проводник с ток, използвайки закона на Biot-Savart-Laplace или използвайки теоремата за циркулацията. По същия начин може да се намери стойността на магнитното поле за ток, произволно разпределен в обем или пространство. Очевидно тези закони са приложими за постоянни или относително бавно променящи се магнитни и електрически полета. Тоест в случаите на магнитостатика. По-сложните случаи изискват изчисляване на стойността ток на магнитно полеспоред уравненията на Максуел.

Проява на наличието на магнитно поле.

Основното проявление на магнитното поле е влиянието върху магнитните моменти на частиците и телата, върху заредените частици в движение. Чрез силата на Лоренце силата, която действа върху електрически заредена частица, движеща се в магнитно поле. Тази сила има постоянно изразена перпендикулярна посока на векторите v и B. Тя също има пропорционална стойност на заряда на частицата q, компонента на скоростта v, която е перпендикулярна на посоката на вектора на магнитното поле B, и големината, която изразява индукцията на магнитното поле B. Силата на Лоренц според Международната система от единици има следния израз: F = q, в системата от единици GHS: F=q/c

Кръстосаното произведение е показано в квадратни скоби.

В резултат на въздействието на силата на Лоренц върху заредени частици, движещи се по протежение на проводник, магнитно поле може да действа върху проводник с ток. Силата на Ампер е силата, действаща върху проводник с ток. Компонентите на тази сила се считат за сили, действащи върху отделни заряди, които се движат вътре в проводника.

Феноменът на взаимодействие между два магнита.

Феноменът на магнитното поле, който можем да срещнем в ежедневието, се нарича взаимодействие на два магнита. Изразява се в отблъскване на еднакви полюси един от друг и привличане на противоположни полюси. От формална гледна точка, описването на взаимодействието между два магнита като взаимодействие на два монопола е доста полезна, приложима и удобна идея. В същото време подробният анализ показва, че в действителност това не е напълно правилно описание на явлението. Основният въпрос, който остава без отговор в рамките на такъв модел, е защо монополите не могат да бъдат разделени. Всъщност експериментално е доказано, че всяко изолирано тяло няма магнитен заряд. Освен това този модел не може да се приложи към магнитното поле, създадено от макроскопичен ток.

От наша гледна точка е правилно да приемем, че силата, действаща върху магнитен дипол, разположен в нехомогенно поле, се стреми да го завърти по такъв начин, че магнитният момент на дипола да има същата посока като магнитното поле. Въпреки това, няма магнити, които да са обект на общата сила от равномерен ток на магнитно поле. Силата, която действа върху магнитен дипол с магнитен момент мсе изразява със следната формула:

.

Силата, действаща върху магнит от нееднородно магнитно поле, се изразява чрез сумата от всички сили, които се определят от тази формула и действат върху елементарните диполи, които изграждат магнита.

Електромагнитна индукция.

Ако потокът на вектора на магнитната индукция през затворена верига се променя с течение на времето, в тази верига се образува електромагнитна индукционна едс. Ако веригата е неподвижна, тя се генерира от вихрово електрическо поле, което възниква в резултат на промяна на магнитното поле с течение на времето. Когато магнитното поле не се променя с времето и няма промени в потока поради движението на веригата на проводника, тогава ЕМП се генерира от силата на Лоренц.

Магнитно поле- това е материалната среда, чрез която възниква взаимодействие между проводници с ток или движещи се заряди.

Свойства на магнитното поле:

Характеристики на магнитното поле:

За изследване на магнитното поле се използва тестова верига с ток. Той е малък по размер и токът в него е много по-малък от тока в проводника, създаващ магнитното поле. От противоположните страни на токопроводящата верига действат сили от магнитното поле, които са еднакви по големина, но насочени в противоположни посоки, тъй като посоката на силата зависи от посоката на тока. Приложните точки на тези сили не лежат на една и съща права линия. Такива сили се наричат няколко сили. В резултат на действието на двойка сили веригата не може да се движи транслационно, тя се върти около оста си. Характеризира се въртеливото действие въртящ момент.

, Където л–лост няколко сили(разстояние между точките на прилагане на силите).

Тъй като токът в изпитвателната верига или площта на веригата се увеличава, въртящият момент на двойката сили ще се увеличи пропорционално. Съотношението на максималния момент на сила, действащ върху веригата с ток, към големината на тока във веригата и площта на веригата е постоянна стойност за дадена точка в полето. Нарича се магнитна индукция.

, Където
-магнитен моментверига с ток.

Мерна единицамагнитна индукция - Тесла [T].

Магнитен момент на веригата– векторна величина, чиято посока зависи от посоката на тока във веригата и се определя от правило за десен винт: стиснете дясната си ръка в юмрук, насочете четири пръста по посока на тока във веригата, след което палецът ще покаже посоката на вектора на магнитния момент. Векторът на магнитния момент винаги е перпендикулярен на равнината на контура.

Отзад посока на вектора на магнитната индукциявземете посоката на вектора на магнитния момент на веригата, ориентиран в магнитното поле.

Линия на магнитна индукция– права, чиято допирателна във всяка точка съвпада с посоката на вектора на магнитната индукция. Линиите на магнитната индукция са винаги затворени и никога не се пресичат. Линии на магнитна индукция на прав проводникс ток имат формата на кръгове, разположени в равнина, перпендикулярна на проводника. Посоката на линиите на магнитната индукция се определя от правилото на десния винт. Линии на магнитна индукция на кръгов ток(завои с ток) също имат формата на кръгове. Всеки елемент на бобина е с дължина
може да си представим като прав проводник, който създава собствено магнитно поле. За магнитните полета се прилага принципът на суперпозиция (независимо добавяне). Общият вектор на магнитната индукция на кръговия ток се определя като резултат от добавянето на тези полета в центъра на завоя съгласно правилото на десния винт.

Ако големината и посоката на вектора на магнитната индукция са еднакви във всяка точка на пространството, тогава магнитното поле се нарича хомогенен. Ако големината и посоката на вектора на магнитната индукция във всяка точка не се променят с времето, тогава такова поле се нарича постоянен.

величина магнитна индукциявъв всяка точка на полето е право пропорционална на силата на тока в проводника, създаващ полето, обратно пропорционална на разстоянието от проводника до дадена точка на полето, зависи от свойствата на средата и формата на проводника, създаващ областта.

, Където
НА 2 ; Gn/m – магнитна константа на вакуума,

-относителна магнитна проницаемост на средата,

-абсолютна магнитна проницаемост на средата.

В зависимост от стойността на магнитната проницаемост всички вещества се разделят на три класа:

С увеличаване на абсолютната пропускливост на средата се увеличава и магнитната индукция в дадена точка на полето. Съотношението на магнитната индукция към абсолютната магнитна пропускливост на средата е постоянна стойност за дадена поли точка, e се нарича напрежение.

.

Векторите на напрежението и магнитната индукция съвпадат по посока. Силата на магнитното поле не зависи от свойствата на средата.

Амперна мощност– силата, с която магнитното поле действа върху проводник с ток.

Където л– дължина на проводника, - ъгълът между вектора на магнитната индукция и посоката на тока.

Посоката на силата на Ампер се определя от правило на лявата ръка: лявата ръка е разположена така, че компонентът на вектора на магнитната индукция, перпендикулярен на проводника, да влезе в дланта, четири удължени пръста са насочени по протежение на тока, след това палецът, огънат на 90 0, ще покаже посоката на силата на Ампер.

Резултатът от силата на Ампер е движението на проводника в дадена посока.

д ако = 90 0 , тогава F=max, ако = 0 0 , тогава F = 0.

Сила на Лоренц– силата на магнитното поле върху движещ се заряд.

, където q е зарядът, v е скоростта на движението му, - ъгълът между векторите на опън и скорост.

Силата на Лоренц винаги е перпендикулярна на векторите на магнитната индукция и скоростта. Посоката се определя от правило на лявата ръка(пръстите следват движението на положителния заряд). Ако посоката на скоростта на частицата е перпендикулярна на линиите на магнитна индукция на еднородно магнитно поле, тогава частицата се движи в кръг, без да променя кинетичната си енергия.

Тъй като посоката на силата на Лоренц зависи от знака на заряда, тя се използва за разделяне на зарядите.

Магнитен поток– стойност, равна на броя линии на магнитна индукция, които преминават през всяка област, разположена перпендикулярно на линиите на магнитна индукция.

, Където - ъгълът между магнитната индукция и нормалата (перпендикуляра) към областта S.

Мерна единица– Вебер [Wb].

Методи за измерване на магнитния поток:

Промяна на ориентацията на сайта в магнитно поле (промяна на ъгъла)

Промяна на площта на верига, поставена в магнитно поле

Промяна в силата на тока, създаваща магнитно поле

Промяна на разстоянието на веригата от източника на магнитно поле

Промени в магнитните свойства на средата.

Е Арадей регистрира електрически ток във верига, която не съдържа източник, но се намира до друга верига, съдържаща източник. Освен това токът в първата верига възниква в следните случаи: с всяка промяна в тока във верига А, с относително движение на веригите, с въвеждането на железен прът във верига А, с движение на постоянен магнит относително към верига B. Насоченото движение на свободни заряди (ток) възниква само в електрическо поле. Това означава, че променящото се магнитно поле генерира електрическо поле, което задвижва свободните заряди на проводника. Това електрическо поле се нарича индуциранили вихър.

Разлики между вихрово електрическо поле и електростатично поле:

Източникът на вихровото поле е променящо се магнитно поле.

Линиите на интензитета на вихровото поле са затворени.

Работата, извършена от това поле за преместване на заряд по затворена верига, не е нула.

Енергийната характеристика на вихровото поле не е потенциалът, а индуцирана емф– стойност, равна на работата на външни сили (сили с неелектростатичен произход) за преместване на единица заряд по затворена верига.

.Измерено във волтове[IN].

Вихрово електрическо поле възниква при всяка промяна в магнитното поле, независимо дали има проводяща затворена верига или не. Веригата позволява само да се открие вихровото електрическо поле.

Електромагнитна индукция- това е появата на индуцирана ЕДС в затворена верига с всяка промяна в магнитния поток през нейната повърхност.

Индуцираната ЕДС в затворена верига генерира индуциран ток.

.

Посока на индукционния токопределя се от Правилото на Ленц: индуцираният ток е в такава посока, че създаденото от него магнитно поле противодейства на всяка промяна в магнитния поток, който генерира този ток.

Законът на Фарадей за електромагнитната индукция: Индуцираната ЕДС в затворена верига е право пропорционална на скоростта на промяна на магнитния поток през повърхността, ограничена от веригата.

T оки фуко– вихрови индукционни токове, които възникват в големи проводници, поставени в променящо се магнитно поле. Съпротивлението на такъв проводник е ниско, тъй като има голямо напречно сечение S, така че токовете на Фуко могат да бъдат големи по стойност, в резултат на което проводникът се нагрява.

Самоиндукция- това е появата на индуцирана ЕДС в проводник, когато силата на тока в него се промени.

Проводник, по който протича ток, създава магнитно поле. Магнитната индукция зависи от силата на тока, следователно собственият магнитен поток също зависи от силата на тока.

, където L е коефициентът на пропорционалност, индуктивност.

Мерна единицаиндуктивност – Хенри [H].

Индуктивностпроводник зависи от неговия размер, форма и магнитна пропускливост на средата.

Индуктивностнараства с увеличаване на дължината на проводника, индуктивността на един намотка е по-голяма от индуктивността на прав проводник със същата дължина, индуктивността на намотка (проводник с голям брой навивки) е по-голяма от индуктивността на един навивка , индуктивността на бобината се увеличава, ако в нея се постави железен прът.

Закон на Фарадей за самоиндукция:
.

Самоиндуцирана емфе право пропорционална на скоростта на промяна на тока.

Самоиндуцирана емфгенерира самоиндукционен ток, който винаги предотвратява каквато и да е промяна на тока във веригата, тоест, ако токът се увеличи, самоиндукционният ток е насочен в обратна посока; когато токът във веригата намалее, самоиндукцията индукционният ток е насочен в същата посока. Колкото по-голяма е индуктивността на бобината, толкова по-голяма е самоиндуктивната ЕДС, която възниква в нея.

Енергия на магнитното полее равна на работата, която токът извършва, за да преодолее самоиндуцираната ЕДС през времето, докато токът нараства от нула до максималната стойност.

.

Електромагнитни вибрации– това са периодични промени в заряда, силата на тока и всички характеристики на електрическите и магнитните полета.

Електрическа осцилаторна система(осцилиращ кръг) се състои от кондензатор и индуктор.

Условия за възникване на трептения:

Системата трябва да бъде изведена от равновесие, за да направите това, заредете кондензатора. Енергия на електрическото поле на зареден кондензатор:

.

Системата трябва да се върне в състояние на равновесие. Под въздействието на електрическо поле зарядът се прехвърля от една плоча на кондензатора към друга, тоест във веригата се появява електрически ток, който протича през намотката. С увеличаването на тока в индуктора възниква емф на самоиндукция; токът на самоиндукция е насочен в обратна посока. Когато токът в бобината намалява, токът на самоиндукция е насочен в същата посока. По този начин токът на самоиндукция се стреми да върне системата в състояние на равновесие.

Електрическото съпротивление на веригата трябва да е ниско.

Идеална осцилаторна вериганяма съпротивление. Вибрациите в него се наричат Безплатно.

За всяка електрическа верига е изпълнен законът на Ом, според който ЕДС, действаща във веригата, е равна на сумата от напреженията във всички секции на веригата. В осцилаторната верига няма източник на ток, но в индуктора се появява самоиндуктивна ЕДС, която е равна на напрежението върху кондензатора.

Заключение: зарядът на кондензатора се променя според хармоничен закон.

Напрежение на кондензатора:
.

Сила на тока във веригата:
.

величина
- амплитуда на тока.

Разликата от таксата на
.

Период на свободни трептения във веригата:

Енергия на електрическото поле на кондензатор:

Енергия на магнитното поле на намотката:

Енергиите на електрическото и магнитното поле се променят по хармоничен закон, но фазите на техните колебания са различни: когато енергията на електрическото поле е максимална, енергията на магнитното поле е нула.

Обща енергия на трептящата система:
.

IN идеален контуробщата енергия не се променя.

По време на процеса на трептене енергията на електрическото поле се преобразува напълно в енергията на магнитното поле и обратно. Това означава, че енергията във всеки момент от времето е равна на максималната енергия на електрическото поле или на максималната енергия на магнитното поле.

Реален трептящ кръгсъдържа съпротива. Вибрациите в него се наричат затихване.

Законът на Ом ще приеме формата:

При условие, че затихването е малко (квадратът на собствената честота на трептенията е много по-голям от квадрата на коефициента на затихване), логаритмичният декремент на затихване е:

При силно затихване (квадратът на естествената честота на трептене е по-малък от квадрата на коефициента на трептене):

Това уравнение описва процеса на разреждане на кондензатор в резистор. При липса на индуктивност няма да възникнат трептения. Съгласно този закон се променя и напрежението върху пластините на кондензатора.

Обща енергияв реална верига намалява, тъй като топлината се отделя в съпротивлението R по време на преминаването на тока.

Процес на преход– процес, който протича в електрическите вериги при преход от един работен режим към друг. Приблизително по време ( ), по време на което параметърът, характеризиращ преходния процес, ще се промени с e пъти.

За схема с кондензатор и резистор:
.

Теорията на Максуел за електромагнитното поле:

1 позиция:

Всяко променливо електрическо поле генерира вихрово магнитно поле. Променливото електрическо поле е наречено от Максуел ток на изместване, тъй като то, подобно на обикновен ток, причинява магнитно поле.

За да откриете тока на изместване, помислете за преминаването на ток през система, в която е свързан кондензатор с диелектрик.

Плътност на тока на отклонение:
. Плътността на тока е насочена по посока на промяната на напрежението.

Първото уравнение на Максуел:
- вихровото магнитно поле се генерира както от токове на проводимост (движещи се електрически заряди), така и от токове на изместване (променливо електрическо поле E).

2 позиция:

Всяко променливо магнитно поле генерира вихрово електрическо поле - основният закон на електромагнитната индукция.

Второто уравнение на Максуел:
- свързва скоростта на промяна на магнитния поток през всяка повърхност и циркулацията на вектора на силата на електрическото поле, който възниква едновременно.

Всеки проводник, по който протича ток, създава магнитно поле в пространството. Ако токът е постоянен (не се променя с времето), тогава свързаното с него магнитно поле също е постоянно. Променливият ток създава променящо се магнитно поле. Вътре в проводник, по който протича ток, има електрическо поле. Следователно променящото се електрическо поле създава променящо се магнитно поле.

Магнитното поле е вихрово, тъй като линиите на магнитна индукция винаги са затворени. Големината на напрегнатостта на магнитното поле H е пропорционална на скоростта на промяна на напрегнатостта на електрическото поле . Посока на вектора на напрегнатост на магнитното поле свързани с промени в напрегнатостта на електрическото поле Правило на десния винт: стиснете дясната си ръка в юмрук, насочете палеца си в посоката на промяната в силата на електрическото поле, тогава свитите 4 пръста ще покажат посоката на линиите на силата на магнитното поле.

Всяко променящо се магнитно поле създава вихрово електрическо поле, чиито линии на напрежение са затворени и разположени в равнина, перпендикулярна на силата на магнитното поле.

Големината на интензитета E на вихровото електрическо поле зависи от скоростта на промяна на магнитното поле . Посоката на вектора E е свързана с посоката на промяна в магнитното поле H по правилото на левия винт: стиснете лявата си ръка в юмрук, насочете палеца си в посоката на промяната в магнитното поле, свитите четири пръста ще показват посоката на линиите на интензитет на вихровото електрическо поле.

Съвкупността от взаимосвързани вихрови електрически и магнитни полета представлява електромагнитно поле. Електромагнитното поле не остава в точката на възникване, а се разпространява в пространството под формата на напречна електромагнитна вълна.

Електромагнитна вълна– това е разпространението в пространството на свързани помежду си вихрови електрически и магнитни полета.

Условие за възникване на електромагнитна вълна– движение на заряда с ускорение.

Уравнение на електромагнитната вълна:

- циклична честота на електромагнитните трептения

t – времето от началото на трептенията

l – разстоянието от източника на вълната до дадена точка в пространството

- скорост на разпространение на вълната

Времето, необходимо на една вълна да премине от своя източник до дадена точка.

Векторите E и H в електромагнитна вълна са перпендикулярни един на друг и на скоростта на разпространение на вълната.

Източник на електромагнитни вълни– проводници, през които протичат бързопроменливи токове (макроемитери), както и възбудени атоми и молекули (микроемитери). Колкото по-висока е честотата на трептене, толкова по-добри електромагнитни вълни се излъчват в пространството.

Свойства на електромагнитните вълни:

Всички електромагнитни вълни са напречен

В хомогенна среда електромагнитни вълни разпространяват с постоянна скорост, което зависи от свойствата на околната среда:

- относителна диелектрична проницаемост на средата

- диелектрична константа на вакуум,
F/m, Cl2/nm2

- относителна магнитна проницаемост на средата

- магнитна константа на вакуума,
НА 2 ; Gn/m

Електромагнитни вълни отразено от препятствия, погълнато, разпръснато, пречупено, поляризирано, дифрактирано, интерферирано.

Обемна енергийна плътностелектромагнитното поле се състои от обемни енергийни плътности на електрически и магнитни полета:

Плътност на вълновия енергиен поток - интензитет на вълната:

-Вектор на Умов-Пойнтинг.

Всички електромагнитни вълни са подредени в поредица от честоти или дължини на вълните (
). Този ред е скала на електромагнитните вълни.

Нискочестотни вибрации. 0 – 10 4 Hz. Получава се от генератори. Те излъчват лошо

Радио вълни. 10 4 – 10 13 Hz. Те се излъчват от твърди проводници, пренасящи бързо променливи токове.

Инфрачервено лъчение– вълни, излъчвани от всички тела при температури над 0 K, дължащи се на вътрешноатомни и вътрешномолекулни процеси.

Видима светлина– вълни, които действат върху окото, предизвиквайки зрително усещане. 380-760 nm

Ултравиолетова радиация. 10 – 380 nm. Видимата светлина и UV се появяват, когато движението на електроните във външните обвивки на атома се промени.

Рентгеново лъчение. 80 – 10 -5 nm. Възниква, когато движението на електроните във вътрешните обвивки на атома се промени.

Гама радиация. Възниква при разпадането на атомните ядра.

Магнитно поле- специална форма на материя, която съществува около движещи се електрически заряди - токове.

Източници на магнитно поле са постоянни магнити и проводници с ток. Магнитното поле може да бъде открито чрез въздействие върху магнитна стрелка, проводник с ток и движещи се заредени частици.

За изследване на магнитното поле се използва затворена плоска верига с ток (рамка с ток).

Въртенето на магнитна стрелка близо до проводник, през който протича ток, е открито за първи път от Ерстед през 1820 г. Ампер наблюдава взаимодействието на проводниците, през които тече ток: ако токовете в проводниците текат в една посока, тогава проводниците се привличат, ако токовете в проводниците текат в противоположни посоки, тогава те се отблъскват.

Свойства на магнитното поле:

• магнитното поле е материално;
• индикатор на източник и поле – електрически ток;
• магнитното поле е вихрово - неговите силови линии (магнитни индукционни линии) са затворени;
• величината на полето намалява с разстоянието от източника на полето.

важно!
Магнитното поле не е потенциално. Неговата работа по затворена траектория може да не е равна на нула.

Магнитно взаимодействиенаричаме привличането или отблъскването на електрически неутрални проводници, когато през тях преминава електрически ток.

Магнитното взаимодействие на движещи се електрически заряди се обяснява по следния начин: всеки движещ се електрически заряд създава магнитно поле в пространството, което действа върху движещи се заредени частици.

Характеристика на силата на магнитното поле – вектор на магнитна индукция​\(\vec(B) \) ​. Модулът на вектора на магнитната индукция е равен на отношението на максималната стойност на силата, действаща от магнитното поле върху проводник с ток, към силата на тока в проводника ​\(I \) ​ и неговата дължина ​\( л \) ​:

Означението е \(\vec(B) \), единицата SI е тесла (T).

1 T е индукцията на магнитно поле, при което максимална сила от 1 N действа върху всеки метър дължина на проводника при ток от 1 A.

Посока на вектора на магнитната индукциясъвпада с посоката от южния полюс към северния полюс на магнитната стрелка (посоката, посочена от северния полюс на магнитната стрелка), свободно установена в магнитно поле.

Посоката на вектора на магнитната индукция може да се определи от gimlet rule:

ако посоката на транслационното движение на гимлета съвпада с посоката на тока в проводника, тогава посоката на въртене на дръжката на гимлета съвпада с посоката на вектора на магнитната индукция.

За определяне на магнитната индукция на няколко полета се използва принцип на суперпозиция:

магнитната индукция на полученото поле, създадено от няколко източника, е равна на векторната сума на магнитната индукция на полетата, създадени от всеки източник поотделно:

Нарича се поле, във всяка точка на което векторът на магнитната индукция е еднакъв по големина и посока хомогенен.

Магнитното поле се изобразява визуално под формата на магнитни линии или линии на магнитна индукция. Линия на магнитна индукцияе въображаема линия, във всяка точка на която векторът на магнитната индукция е насочен тангенциално към нея.

Свойства на магнитните линии:

• магнитните линии са непрекъснати;
• магнитните линии са затворени (т.е. в природата няма магнитни заряди, подобни на електрическите);
• магнитните линии имат посока, свързана с посоката на тока.

Плътността на подреждането ни позволява да преценим размера на полето: колкото по-плътни са линиите, толкова по-силно е полето.

Върху плоска затворена верига с ток, поставен в еднородно магнитно поле, действа момент на сила ​\(M\) ​:

където ​\(I \) ​ – сила на тока в проводника, ​\(S \) ​ – повърхностна площ, покрита от веригата, ​\(B \) ​ – големина на вектора на магнитната индукция, ​\(\alpha \) ​ – ъгълът между перпендикуляра към равнината на контура и вектора на магнитната индукция.

Тогава за модула на вектора на магнитната индукция можем да напишем формулата:

където максималният момент на сила съответства на ъгъл ​\(\alpha \) ​ = 90°.

В този случай линиите на магнитна индукция лежат в равнината на рамката и нейното равновесно положение е нестабилно. Позицията на рамката с ток ще бъде стабилна в случай, че равнината на рамката е перпендикулярна на линиите на магнитна индукция.

Постоянни магнити- това са тела, които запазват магнетизация за дълго време, тоест създават магнитно поле.

Основното свойство на магнитите е да привличат тела от желязо или негови сплави (например стомана). Магнитите могат да бъдат естествени (направени от магнитна желязна руда) или изкуствени, които представляват магнетизирани железни ленти. Областите на магнита, където неговите магнитни свойства са най-изразени, се наричат ​​полюси. Магнитът има два полюса: северен ​\(N\) ​ и южен ​\(S \) ​.

важно!
Извън магнита, магнитните линии напускат северния полюс и навлизат в южния полюс.

Невъзможно е да се разделят полюсите на магнита.

Обяснява съществуването на магнитно поле в постоянните магнити Ампер. Според неговата хипотеза елементарни електрически токове циркулират вътре в молекулите, изграждащи магнита. Ако тези токове са ориентирани по определен начин, тогава техните действия се сумират и тялото проявява магнитни свойства. Ако тези токове са произволно разположени, тогава тяхното действие е взаимно компенсирано и тялото не проявява магнитни свойства.

Магнитите си взаимодействат: както магнитните полюси се отблъскват, така и привличат.

Магнитно поле на проводник с ток

Електрически ток, протичащ през проводник с ток, създава магнитно поле в заобикалящото го пространство. Колкото по-голям е токът, преминаващ през проводника, толкова по-силно е магнитното поле, което възниква около него.

Магнитните силови линии на това поле са разположени в концентрични кръгове, в центъра на които има проводник с ток.

Посоката на линиите на магнитното поле около проводник с ток винаги е в строго съответствие с посоката на тока, преминаващ през проводника.

Може да се определи посоката на линиите на магнитното поле според правилото на гимлета: ако постъпателното движение на гимлета (1) съвпада с посоката на тока (2) в проводника, тогава въртенето на неговата дръжка ще покаже посоката на линиите на магнитното поле (4) около проводника.

Когато посоката на тока се промени, линиите на магнитното поле също променят посоката си.

Когато се отдалечите от проводника, линиите на магнитното поле са по-редки. В резултат на това индукцията на магнитното поле намалява.

Посоката на тока в проводник обикновено се представя с точка, ако токът върви към нас, и кръст, ако токът е насочен далеч от нас.

За да се получат силни магнитни полета при ниски токове, те обикновено увеличават броя на тоководещите проводници и ги правят под формата на серия от завои; такова устройство се нарича намотка.

В проводник, огънат под формата на намотка, магнитните полета, генерирани от всички секции на този проводник, ще имат една и съща посока вътре в намотката. Следователно интензитетът на магнитното поле вътре в бобината ще бъде по-голям, отколкото около прав проводник. Когато намотките се комбинират в намотка, магнитните полета, създадени от отделните навивки, се сумират. В този случай концентрацията на силови линии вътре в бобината се увеличава, т.е. магнитното поле вътре в нея се засилва.

Колкото по-голям е токът, преминаващ през бобината и колкото повече навивки има в нея, толкова по-силно е магнитното поле, създадено от бобината. Магнитното поле извън намотката също се състои от магнитните полета на отделните навивки, но линиите на магнитното поле не са толкова плътно разположени, в резултат на което интензитетът на магнитното поле там не е толкова голям, колкото вътре в намотката.

Магнитното поле на намотка с ток има същата форма като полето на прав постоянен магнит: магнитните силови линии излизат от единия край на намотката и влизат в другия край. Следователно бобината с ток е изкуствен електрически магнит. Обикновено вътре в бобината се вкарва стоманена сърцевина, за да се засили магнитното поле; такава бобина се нарича електромагнит.

Посоката на линиите на магнитната индукция на бобината с ток се намира от правило на дясната ръка:

ако мислено захванете текущата намотка с дланта на дясната си ръка, така че четири пръста да показват посоката на тока в нейните завои, тогава палецът ще покаже посоката на вектора на магнитната индукция.

За да определите посоката на линиите на магнитното поле, създадени от завой или намотка, можете също да използвате gimlet rule:

ако завъртите дръжката на гимлета по посока на тока в бобината или намотката, тогава транслационното движение на гимлета ще покаже посоката на вектора на магнитната индукция.

Електромагнитите са намерили изключително широко приложение в техниката. Полярността на електромагнита (посоката на магнитното поле) също може да се определи с помощта на правилото на дясната ръка.

Амперна мощност

Амперна мощност– силата, която действа върху проводник с ток, намиращ се в магнитно поле.

Закон на Ампер:проводник със сила ​\(I \) ​ с дължина ​\(l \) ​, поставен в магнитно поле с индукция ​\(\vec(B) \) ​, се въздейства от сила, чиято модулът е равен на:

където ​\(\alpha \) ​ е ъгълът между проводника с ток и вектора на магнитната индукция ​\(\vec(B) \) ​.

Определя се посоката на силата на Ампер според правилото на лявата ръка: ако дланта на лявата ръка е разположена така, че компонентът на вектора на магнитната индукция ​\(B_\perp \), перпендикулярен на проводника, влиза в дланта и четири протегнати пръста показват посоката на тока в проводника, тогава свитият на 90° палец ще покаже посоката на силата на Ампер.

Силата на Ампер не е централна. Тя е насочена перпендикулярно на линиите на магнитната индукция.

Амперната мощност се използва широко. В техническите устройства магнитното поле се създава с помощта на проводници, през които протича електрически ток. Електромагнитите се използват в електромеханично реле за дистанционно изключване на електрически вериги, магнитен кран, твърд диск на компютър, глава за запис на VCR, телевизионна тръба и компютърен монитор. Електрическите двигатели се използват широко в бита, в транспорта и в промишлеността. Взаимодействието на електромагнит с полето на постоянен магнит направи възможно създаването на електрически измервателни уреди (амперметър, волтметър).

Най-простият модел на електродвигател е рамка с ток, поставена в магнитното поле на постоянен магнит. В истинските електродвигатели вместо постоянни магнити се използват електромагнити, а вместо рамка се използват намотки с голям брой навивки на проводник.

Ефективност на електромотора:

където ​\(N\) ​ е механичната мощност, развивана от двигателя.

Ефективността на електродвигателя е много висока.

Алгоритъм за решаване на задачи за действието на магнитно поле върху проводници с ток:

• направете схематичен чертеж, на който да посочите проводник или верига с ток и посоката на силовите линии;
• отбелязват ъглите между посоката на полето и отделните елементи на контура;
• като използвате правилото на лявата ръка, определете посоката на силата на Ампер, действаща върху проводник с ток или върху всеки елемент от веригата, и покажете тези сили на чертежа;
• посочете всички други сили, действащи върху проводника или веригата;
• напишете формули за останалите сили, посочени в задачата. Изразете силите чрез величините, от които зависят. Ако проводникът е в равновесие, тогава е необходимо да се запише условието за неговото равновесие (сумата на силите и моментите на силите е равна на нула);
• записват втория закон на Нютон във векторна форма и в проекции;
• проверете решението.

Сила на Лоренц

Сила на Лоренц– силата, действаща върху движеща се заредена частица от магнитното поле.

Формула за намиране на силата на Лоренц:

където ​\(q \) ​ – заряд на частицата, ​\(v \) ​ – скорост на частицата, ​\(B \) ​ – величина на вектора на магнитната индукция, ​\(\alpha \) ​ – ъгъл между вектор на скоростта на частиците и вектор на магнитна индукция.

Определя се посоката на силата на Лоренц според правилото на лявата ръка: ако дланта на лявата ръка е разположена така, че компонентът на вектора на магнитната индукция ​\(B_\perp \), перпендикулярен на проводника, влиза в дланта, а четири протегнати пръста показват посоката на скоростта на положително заредената частица , тогава свитият на 90° палец ще покаже посоката на силата Лоренц.

Ако зарядът на частицата е отрицателен, тогава посоката на силата се обръща.

важно!
Ако векторът на скоростта е сънасочен с вектора на магнитната индукция, тогава частицата се движи равномерно и праволинейно.

В еднородно магнитно поле силата на Лоренц изкривява траекторията на частицата.

Ако векторът на скоростта е перпендикулярен на вектора на магнитната индукция, тогава частицата се движи в окръжност, чийто радиус е равен на:

където ​\(m \) ​ е масата на частицата, ​\(v \) ​ е скоростта на частицата, ​\(B \) ​ е големината на вектора на магнитната индукция, ​\(q \ ) е зарядът на частицата.

В този случай силата на Лоренц играе ролята на центростремителна сила и нейната работа е нула. Периодът (честотата) на въртене на една частица не зависи от радиуса на окръжността и скоростта на частицата. Формула за изчисляване на периода на въртене на частица:

Ъглова скорост на заредена частица:

важно!
Силата на Лоренц не променя кинетичната енергия на частицата и нейния модул на скоростта. Под въздействието на силата на Лоренц посоката на скоростта на частиците се променя.

Ако векторът на скоростта е насочен под ъгъл ​\(\alpha \) ​ (0°< \(\alpha \) < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.

В този случай векторът на скоростта на частицата може да бъде представен като сбор от два вектора на скоростта, единият от които, ​\(\vec(v)_2 \) ​, е успореден на вектора \(\vec(B) \) , а другият, \(\vec (v)_1 \) , – е перпендикулярен на него. Векторът \(\vec(v)_1 \) не се променя нито по величина, нито по посока. Векторът \(\vec(v)_2\) променя посоката си. Силата на Лоренц ще придаде ускорение на движещата се частица перпендикулярно на вектора на скоростта \(\vec(v)_1\) . Частицата ще се движи в кръг. Периодът на въртене на частица в окръжност е ​\(T\) ​.

По този начин равномерното движение по индукционната линия ще бъде насложено върху кръгово движение в равнина, перпендикулярна на вектора \(\vec(B)\) . Частицата се движи по спираловидна линия със стъпка ​\(h=v_2T \) ​.

важно!
Ако една частица се движи в електрически и магнитни полета, тогава общата сила на Лоренц е равна на:

Особеностите на движението на заредена частица в магнитно поле се използват в масспектрометри - устройства за измерване на масите на заредени частици; ускорители на частици; за топлоизолация на плазма в инсталации Токамак.

Алгоритъм за решаване на задачи за действието на магнитно (и електрическо) поле върху заредени частици:

• направете чертеж, посочете върху него силовите линии на магнитното (и електрическото) поле, начертайте вектора на началната скорост на частицата и отбележете знака на нейния заряд;
• изобразяват силите, действащи върху заредена частица;
• определят вида на траекторията на частиците;
• разширяване на силите, действащи върху заредена частица по посока на магнитното поле и в посока, перпендикулярна на него;
• съставят основно уравнение за динамиката на материална точка за всяка от посоките на разпределение на силата;
• изразяват силите чрез величините, от които зависят;
• решаване на получената система от уравнения за неизвестно количество;
• проверете решението.

Основни формули на раздела „Магнитно поле“

Все още помним за магнитното поле от училище, но това, което представлява, не е нещо, което „изскача“ в спомените на всеки. Нека опресним това, което покрихме, и може би да ви кажем нещо ново, полезно и интересно.

Определяне на магнитно поле

Магнитното поле е силово поле, което влияе върху движещи се електрически заряди (частици). Благодарение на това силово поле обектите се привличат един към друг. Има два вида магнитни полета:

1. Гравитационен - ​​образува се изключително в близост до елементарни частици и варира в силата си въз основа на характеристиките и структурата на тези частици.
2. Динамични, произведени в обекти с движещи се електрически заряди (предаватели на ток, магнетизирани вещества).

Наименованието за магнитно поле е въведено за първи път от М. Фарадей през 1845 г., въпреки че значението му е малко погрешно, тъй като се смяташе, че както електрическото, така и магнитното влияние и взаимодействие се осъществяват на базата на едно и също материално поле. По-късно през 1873 г. Д. Максуел „представя” квантовата теория, в която тези понятия започват да се разделят, а полученото по-рано силово поле се нарича електромагнитно поле.

Как се появява магнитното поле?

Магнитните полета на различни обекти не се възприемат от човешкото око и само специални сензори могат да го засекат. Източникът на появата на магнитно силово поле в микроскопичен мащаб е движението на магнетизирани (заредени) микрочастици, които са:

• йони;
• електрони;
• протони.

Тяхното движение се дължи на спиновия магнитен момент, който присъства във всяка микрочастица.

Магнитно поле, къде може да се намери?

Колкото и странно да звучи, почти всички обекти около нас имат собствено магнитно поле. Въпреки че в концепцията на мнозина само камъче, наречено магнит, има магнитно поле, което привлича железни предмети към себе си. Всъщност силата на привличане съществува във всички обекти, но се проявява в по-малка валентност.

Трябва също така да се изясни, че силово поле, наречено магнитно, се появява само когато се движат електрически заряди или тела.

Стационарните заряди имат електрично силово поле (може да присъства и в движещи се заряди). Оказва се, че източниците на магнитното поле са:

• постоянни магнити;
• движещи се заряди.

Следователно самата концепция възниква в електродинамиката едновременно с концепцията за „електрическо поле“. Той е въведен първо от М. Фарадей, а малко по-късно от Дж. Максуел, за да обясни защо електрическите заряди имат толкова сравнително кратък обхват на взаимодействие.

В ефир

Бащите на електродинамиката вярваха, че полето се създава чрез деформиране на етера - невидима спекулативна среда, която изпълва всичко, което съществува (Айнщайн, докато работи върху теорията на относителността, премахна концепцията за етер). Въпреки че това може да изглежда странно за съвременните хора, до 20-ти век физиците наистина не се съмняваха в определено вещество, което прониква във всичко, което съществува. Физиците не можаха да обяснят как се създават магнитните полета и каква е тяхната природа.

Когато специалната теория на относителността (SRT) влезе в употреба и етерът беше „официално премахнат“, пространството стана „празно“, но полетата продължиха да си взаимодействат дори във вакуум, а това е невъзможно между нематериални обекти (поне според към SRT), така че физиците сметнаха за необходимо да придадат някои атрибути на електрическите и магнитните полета. Създават се понятия като маса, импулс и енергийни полета.

Свойства на магнитното поле

Първото му свойство обяснява естеството на неговия произход: магнитно поле може да възникне само под въздействието на движещи се заряди (електрони) на електрически ток. Силовата характеристика на магнитното поле се нарича магнитна индукция; тя присъства във всяка точка на полето.

Влиянието на полето се отнася само за движещи се заряди, магнити и проводници. Тя може да бъде два вида: променлива и постоянна. Магнитното поле може да се измерва само със специални инструменти, то не се открива от човешките сетива (въпреки че биолозите смятат, че някои животни могат да възприемат промените в него). Същността на друго свойство на магнитното поле е, че то има електродинамична природа не само защото може да влияе само върху движещи се заряди, но и защото самото то се генерира от движението на зарядите.

Как да видите

Въпреки че човешките сетива не могат да открият наличието на магнитно поле, неговата посока може да се определи с помощта на магнетизирана стрелка. Въпреки това можете да „видите“ магнитното поле с помощта на лист хартия и обикновени железни стружки. Трябва да поставите лист хартия върху постоянен магнит и да поръсите дървени стърготини отгоре, след което железните стружки ще се подредят по затворени и непрекъснати силови линии.

Посоката на линиите на полето се определя с помощта на правилото на дясната ръка, което също се нарича „правило на гимлет“. Ако вземете проводника в ръката си, така че палецът ви да е в посоката на тока (токът се движи от минус към плюс), тогава останалите пръсти ще показват посоката на силовите линии.

Геомагнетизъм

Магнитните полета се създават от движещи се заряди, но тогава каква е природата на геомагнетизма? Нашата планета има магнитно поле, което я предпазва от вредната слънчева радиация, а диаметърът на полето е няколко пъти по-голям от диаметъра на Земята. Той е разнороден по форма, от „слънчевата страна“ се свива под въздействието на слънчевия вятър, а от нощната страна се простира под формата на дълга широка опашка.

Смята се, че на нашата планета магнитните полета се създават от движението на токове в ядрото, което се състои от течен метал. Това се нарича "хидромагнитно динамо". Когато дадено вещество достигне температура от няколко хиляди градуса по Келвин, неговата проводимост става достатъчно висока, че движенията, дори в слабо магнетизирана среда, започват да създават електрически токове, които от своя страна създават магнитни полета.

В местните райони магнитните полета се създават от магнетизирани скали от горните слоеве на планетата, които образуват земната кора.

Движение на полюса

От 1885 г. започва регистриране на движението на магнитните полюси. През последния век южният полюс (полюсът на южното полукълбо) се е преместил с 900 километра, а северният (арктически) магнитен полюс се е преместил със 120 километра за 11 години от 1973 г. насам и още 150 през следващите десет години. По последни данни скоростта на изместване на Арктическия полюс се е увеличила от 10 километра на година до 60.

Въпреки че учените знаят как се създава магнитното поле на Земята, те не могат да повлияят на движението на полюсите и предполагат, че съвсем скоро ще се случи нова инверсия. Това е естествен процес, това не се случва за първи път на планетата, но не се знае как ще се развие такъв процес за хората.