Магнитное поле

Наша планета – это один большой магнит. У него также есть северный и южный полюс. Но есть один нюанс – географические полюса отличаются от физических. Итак, да, на северном полюсе, который находится в верхней части карты, есть южный физический полюс. И наоборот, южный географический полюс является северным физическим полюсом.

Содержание

Все, что делают люди, это говорят о каких-то магнитных бурях, носят магниты на холодильнике, ходят в поездки с компасом, который показывает, где север, а где юг. В основе всего этого лежит магнитное поле.

Магнитное поле – это материя, которая заставляет заряды взаимодействовать друг с другом.

У него есть несколько условий существования:

магнитное поле материально, т.е. существует независимо от наших знаний о нем;
он генерируется только движущимся электрическим зарядом;
Магнитное поле можно обнаружить, приложив силу к движущемуся электрическому заряду (или проводнику с током);
магнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.

Магнитное поле создается только движущимся электрическим зарядом? А как насчет магнитов?

Атом состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Электроны могут вращаться по разным орбитам. Каждая орбиталь может иметь два электрона, которые вращаются в разных направлениях.

Но в некоторых веществах не все электроны спарены и некоторые электроны вращаются в одном направлении, такие вещества называются ферромагниты. А поскольку электрон – заряженная частица, он вращается вокруг атома в том же направлении. электроны создают магнитное поле.. Создается миниатюрный электромагнит.

Если атомы вещества расположены в любом порядке, поля этих крошечных магнитов компенсируют друг друга. Но если направить эти магнитные поля в одну сторону, они складываются, и получается магнит.

Каждый магнит имеет два полюса – северный и южный.

Каждое магнитное поле описывается магнитными линиями, выходящими из северного поля и входящими в южное поле. Эти линии всегда замкнуты, даже если их длина бесконечна. Вот как это выглядит:

Как вы запомнили, что магнитные линии выходят из северного полюса и входят в южный?

Все просто – никто не хочет жить на севере. Многие люди переезжают туда, где теплее, зимуют в более теплом климате, в общем – стремятся на юг. Также магнитные линии.

Северный полюс обозначается латинской буквой N (от английского слова North). Южный полюс обозначается буквой S.

Наша планета – это один большой магнит. У него также есть северный и южный полюс. Но есть один нюанс – географические полюса отличаются от физических. Итак, да, северный полюс, который находится в верхней части карты, имеет южный физический полюс. И наоборот, южный географический имеет северный физический.

Не паникуйте, компас показывает вам географический полюс. Да, компас является магнитной стрелкой и должен показывать физический полюс, но стрелка нарисована так, чтобы указывать на северный физический полюс и показывать южный географический полюс. Чтобы люди не запутались.

Диаграмма линий магнитного поля прямоугольного магнита

В чем измеряется магнитное поле?

Магнитное поле является векторной величиной, и для его измерения/определения нам необходимо знать его направление и сила.

Чтобы определить направление, можно поместить магнитный компас рядом с магнитным объектом. Таким образом, игла компаса будет останавливаться вдоль магнитной линии.

Измеряется напряженность магнитного поля:

1) либо в единицах СИ тесла (Tesla) или микротесла (μT)

2) или в единицах Гаусс (Гс) или миллигаусс (мГс), которые до сих пор используются экспериментально.

1 Тесла = 10 000 Гс
1 Gs = Tl
1 мГс = 0,1 мкТл

Он также появляется в присутствии изменяющегося во времени электрического поля.

Проявление магнитного поля

Магнитное поле можно рассматривать как воздействие на магнитные моменты частиц и тел, движущихся заряженных частиц (или проводников с током). Сила, действующая на электрически заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле, называется силой Лоренца, которая всегда перпендикулярна векторам v и B [3] . Она пропорциональна заряду частицы q , компонент скорости v перпендикулярно направлению вектора магнитного поля B и индукция магнитного поля B . В системе единиц СИ сила Лоренца выражается следующим образом:

Два магнита, взаимодействующие друг с другом

Одним из самых распространенных проявлений магнитного поля в повседневной жизни является взаимодействие двух магнитов: одинаковые полюса отталкивают друг друга, противоположные полюса притягиваются. Кажется заманчивым описать взаимодействие между магнитами как взаимодействие между двумя монополями, и с формальной точки зрения эта идея вполне осуществима [8] и часто весьма удобна, а значит, практически полезна (в расчетах), но детальный анализ показывает, что в действительности это не совсем корректное описание явления (наиболее очевидная проблема что невозможно объяснить в рамках такой модели, так это то, почему монополи никогда не могут быть разделены, то есть почему эксперименты показывают, что ни одно изолированное тело на селфи не способно отделиться от себя, а значит, не может быть отделено от себя, потому что не может быть отделено от себя.

Правильнее сказать, что на магнитный диполь, помещенный в неоднородное поле, действует сила, которая стремится повернуть его так, чтобы магнитный момент диполя был сонаправлен с магнитным полем. Но ни на один магнит не действует (суммарная) сила однородного магнитного поля. Сила, действующая на магнитный диполь с магнитным моментом m выражается формулой [9] [10] :

Магнитный поток

Магнитная проницаемость – это коэффициент, определяющий магнитные свойства среды. Одним из параметров, от которых зависит индукция магнитного поля, является магнитная проницаемость.

Во многих случаях удобно рассматривать линии магнитного поля как упругие, растянутые волокна, которые стремятся сжаться и в то же время отталкиваются друг от друга (имеют взаимное боковое растекание). Такое механическое представление силовых линий позволяет наглядно объяснить появление электромагнитных сил при взаимодействии магнитного поля и проводника тока, а также двух магнитных полей.

§16 Магнитное поле и его характеристики и свойства

Когда в проводнике течет электрический ток, вокруг проводника образуется магнитное поле. магнитное поле. Магнитное поле это разновидность материи. Она обладает энергией, которая проявляется в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т.е. электрический ток. Под воздействием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю (рис. 34).

Рис. 34: Диаграмма действия магнитного поля на движущийся электрический заряд: положительный ион (a) и электрон (b).

Магнитное поле может быть создано только вокруг движущихся электрических зарядов и действует только на движущиеся заряды. Магнитные и электрические поля неразделимы и вместе образуют единое целое электромагнитное поле. Любое изменение в электрическое поле приводит к появлению магнитного поля и, наоборот, любое изменение магнитного поля сопровождается появлением электрического поля. Электромагнитное поле распространяется со скоростью света, т.е. 300 000 км/с.

Графическое представление магнитного поля.

Магнитное поле графически представляется линиями магнитного поля, которые проводятся так, чтобы направление линий поля в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля; линии магнитного поля всегда непрерывны и замкнуты. Направление магнитного поля в каждой точке может быть определено с помощью магнитной стрелки.

Северный полюс стрелки всегда располагается в направлении сил поля. Предполагается, что конец постоянного магнита, из которого выходят линии поля (рис. 35, a), является северным полюсом, а противоположный конец, в который входят линии поля, является южным полюсом (линии поля, проходящие внутри магнита, не показаны).

Распределение линий поля между полюсами плоского магнита можно определить, поместив стальные опилки на лист бумаги, положенный на полюса (рис. 35b).

alt=”Рис. 35. Магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом” width=”300″ height=”87″ />.Рисунок 35: Магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом.

Магнитное поле в воздушном зазоре между двумя противоположными полюсами постоянного магнита, расположенными параллельно друг другу, характеризуется равномерным распределением линий магнитного потока (рис. 36) (линии потока, входящие в магнит, не показаны).

Рисунок 36: Равномерное магнитное поле между полюсами постоянного магнита.

Для более четкого представления магнитного поля линии поля более разреженные или более плотные. Там, где магнитное поле сильнее, линии поля расположены ближе друг к другу; там, где оно слабее, они находятся дальше друг от друга. Линии силы нигде не пересекаются.

Во многих случаях удобно думать о линиях магнитного поля как об упругих, натянутых нитях, которые имеют тенденцию сжиматься и отталкиваться друг от друга (они имеют взаимное боковое распространение). Такое механическое представление линий поля позволяет наглядно объяснить возникновение электромагнитных сил при взаимодействии магнитного поля и проводника с током, а также двух магнитных полей.

Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток, магнитная проницаемость и напряженность магнитного поля.

Магнитная индукция и магнитный поток.

Напряженность магнитного поля, т.е. его способность производить работу, определяется величиной, называемой магнитной индукцией. Чем сильнее магнитное поле, создаваемое постоянным магнитом или электромагнитом, тем больше индукция. Магнитная индукция B может характеризоваться плотностью магнитных силовых линий, т.е. количеством силовых линий, проходящих через площадь в 1 м 2 или 1 см 2, перпендикулярную магнитному полю.

Различают однородные и неоднородные магнитные поля. В однородном магнитном поле магнитная индукция в каждой точке поля имеет одинаковое значение и направление. Поле в воздушном зазоре между противоположными полюсами магнита или электромагнита (см. рис. 36) можно считать однородным на некотором расстоянии от его краев. Магнитный поток Ф, проходящий через поверхность, определяется общим количеством магнитных силовых линий, пронизывающих поверхность, например, катушку 1 (рис. 37, а), поэтому в однородном магнитном поле

F = BS (40)

где S – площадь поперечного сечения поверхности, через которую проходят магнитные силовые линии. Отсюда следует, что в таком поле магнитная индукция равна потоку, деленному на площадь поперечного сечения S:

B = Ф/S (41)

Если поверхность наклонена по отношению к направлению магнитных силовых линий (рис. 37b), то поток, входящий через нее, будет меньше перпендикулярного, т.е. если B₂ меньше, чем F₁.

В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в единице Вебера (Vb), которая измеряется в В*с (вольт-секундах). Магнитная индукция в системе единиц СИ измеряется в Теслах (Тесла); 1 Тесла = 1 Вб/м 2.

alt=”Рисунок 37: Магнитный поток, перпендикулярный (a) и наклонный (b) к направлению магнитных силовых линий. width=”300″ height=”82″ />.Рисунок 37: Магнитный поток, проходящий через катушку, перпендикулярную (a) и наклонную (b) к направлению силовых линий магнитного поля.

Магнитная проницаемость.

Магнитная индукция зависит не только от силы тока, протекающего в прямолинейном проводнике или катушке, но и от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Абсолютная магнитная проницаемость – это величина, которая описывает магнитные свойства среды _а. Его единицей измерения является ген на метр (1 Гн/м = 1 Ом*с/м).

В среде с большей магнитной проницаемостью электрический ток определенной силы создает магнитное поле с большей индукцией. Установлено, что магнитная проницаемость воздуха и всех веществ, кроме ферромагнитных материалов (см. § 18), имеет примерно такое же значение – как магнитная проницаемость вакуума.

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной,

Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов в тысячи и даже десятки тысяч раз больше, чем у неферромагнитных веществ. Отношение магнитной проницаемости μ_а вещества к магнитной проницаемости вакуума μ_о называется относительной магнитной проницаемостью:

Напряженность магнитного поля. Напряженность И не зависит от магнитных свойств среды, но учитывает влияние тока и формы проводника на напряженность магнитного поля в данной точке пространства. Индукция и сила магнитного поля связаны соотношением

Поэтому в среде с постоянной магнитной проницаемостью индукция магнитного поля пропорциональна его напряженности.
Напряженность магнитного поля измеряется в амперах на метр (А/м) или амперах на сантиметр (А/см).

Магнитные свойства веществ

Магнитное поле и его параметры, магнитные цепи

Они создаются путем размещения постоянного магнита на обратной стороне куска картона с ровным слоем железных опилок. На рисунке четко показаны северный (N) и южный (S) полюса с направлением линий поля в зависимости от их ориентации: выход с северного полюса и вход с южного.

Как создается магнитное поле

Источниками магнитного поля являются:

Изменяющиеся во времени электрические поля.

Каждый ребенок дошкольного возраста знает, как работают постоянные магниты. В конце концов, они наверняка уже наклеили на холодильник фотографии магнитов, вынутых из оберток от деликатесов.

Электрические заряды в движении обычно обладают значительно большей энергией магнитного поля, чем постоянные магниты. На это также указывают линии поля. Рассмотрим правила их построения для прямолинейного проводника с током I.

Линия магнитного поля проводится в плоскости, перпендикулярной потоку тока, так что в каждой точке линии сила, действующая на северный полюс магнитной стрелки, направлена по касательной к линии. Таким образом, вокруг движущегося заряда образуются концентрические круги.

Направление этих сил определяется известным правилом винта или правилом буравчика с правой резьбой.

Поместите буру коаксиально вектору тока и поверните рукоятку так, чтобы поступательное движение буры совпадало с его направлением. Затем, поворачивая кривошип, мы показываем ориентацию магнитных силовых линий.

В круговом проводнике вращательное движение кривошипа совпадает с направлением тока, а поступательное движение указывает направление индукции.

Магнитные силовые линии всегда выходят из северного полюса и входят в южный. Они остаются внутри магнита и никогда не открываются.

Принципы взаимодействия магнитных полей

Магнитные поля различных источников складываются, образуя результирующее поле.

Магниты с противоположными полюсами (N – S) притягиваются друг к другу, а магниты с противоположными полюсами (N – N, S – S) отталкиваются друг от друга. Силы взаимодействия между полюсами зависят от расстояния между ними. Чем ближе сдвинуты полюса, тем больше сила.

Основные характеристики магнитного поля

вектор магнитной индукции (B)

магнитный поток (Ф);

Интенсивность или напряженность поля измеряется величиной вектора магнитной индукции. Она определяется силой “F”, создаваемой током “I”, протекающим через проводник длиной “l”. In = F/(I∙l).

В СИ единицей магнитной индукции является Тесла (в память о физике, который изучал эти явления и описывал их математическими методами). В российской технической литературе он обозначается символом “Tl”, а в международной документации принят символ “T”.

1 Тесла – это индукция такого однородного магнитного потока, который действует с силой в 1 ньютон на каждый метр длины прямого проводника, перпендикулярного направлению поля, когда по этому проводнику течет ток в 1 ампер.

Направление вектора B задается правилом левой руки.

Если поместить ладонь левой руки в магнитное поле так, чтобы силовые линии от северного полюса входили в ладонь под прямым углом, а четыре пальца расположить по направлению тока в проводнике, то торчащий большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

Когда проводник с электрическим током не выровнен перпендикулярно магнитным силовым линиям, действующая на него сила будет пропорциональна силе протекающего тока и составляющей проекции длины проводника с током на перпендикулярную ему плоскость.

Сила, оказываемая электрическим током, не зависит от материала проводника и площади его поперечного сечения. Даже если проводника нет, а движущиеся заряды перемещаются в другой среде между магнитными полюсами, сила никак не изменится.

Если вектор B имеет одинаковое направление и величину во всех точках магнитного поля, то поле считается однородным.

Любая среда с магнитными свойствами влияет на величину вектора индукции B .

Магнитный поток (F)

Если мы рассматриваем прохождение магнитной индукции через область S, то индукция, ограниченная этой областью, будет называться магнитным потоком.

Когда поверхность наклонена под определенным углом α к направлению магнитной индукции, магнитный поток уменьшается на косинус угла наклона этой поверхности. Максимальный магнитный поток образуется, когда поверхность перпендикулярна направлению индукции. F=B-S

Единицей магнитного потока является 1 Вебер, определяемый прохождением 1 тесла индукции через площадь в 1 квадратный метр.

Этот термин используется для обозначения общего значения магнитного потока, создаваемого данным количеством токоведущих проводников между полюсами магнита.

Для случая, когда один и тот же ток I протекает через обмотку катушки с числом витков n, суммарный (сцепленный) магнитный поток от всех катушек называется отношением потоков катушек Ψ.

Ψ=n-F . Единицей сближения катушек является 1 Вебер.

Как магнитное поле создается из переменного электрического поля?

Электромагнитное поле, взаимодействующее с электрическими зарядами и телами с магнитными моментами, представляет собой совокупность двух полей:

Они связаны друг с другом, они – единое целое, и когда один из них изменяется со временем, происходят изменения и в другом. Например, генерация переменного синусоидального электрического поля в трехфазном генераторе одновременно будет генерировать такое же магнитное поле с характеристиками аналогичных переменных гармоник.

Магнитные свойства веществ

По отношению к взаимодействию с внешним магнитным полем вещества можно разделить на

Антиферромагниты со сбалансированными магнитными моментами, которые создают очень низкую степень намагниченности тела;

Диамагниты, обладающие свойством намагничиваться внутренним полем против действия внешнего поля. В отсутствие внешнего поля они не проявляют магнитных свойств;

Парамагнетики, обладающие свойством намагничиваться внутренним полем против действия внешнего поля, которые имеют низкую степень намагниченности;

Ферромагниты, обладающие магнитными свойствами без приложенного внешнего поля при температуре ниже точки Кюри;

ферримагниты с магнитными моментами, не сбалансированными по величине и направлению.

Все эти свойства веществ нашли множество применений в современной технологии.

Этот термин относится к совокупности различных магнитных материалов, через которые проходит магнитный поток. Они являются аналогами электрических цепей и описываются соответствующими математическими законами (полного тока, Ома, Кирхгофа и т.д.). См. – Основные законы электротехники.

На основе расчетов магнитной цепи работают все трансформаторы, катушки, электрические машины и многие другие устройства.

Например, в работающем электромагните магнитный поток проходит через магнитную катушку, изготовленную из ферромагнитной стали и воздуха с выраженными неферромагнитными свойствами. Сочетание этих элементов образует магнитную цепь.

Большинство электрических устройств имеют в своей конструкции магнитные цепи. Читайте подробнее в этой статье – Магнитные цепи в электрических устройствах

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это очень поможет нам в развитии нашего сайта!

Читайте далее: