МАГНІТНЕ ПОЛЕ: ІНТЕНСИВНІСТЬ, ХАРАКТЕРИСТИКИ, ДЖЕРЕЛА, ПРИКЛАДИ - ФІЗИЧНІ - 2025

Магнітне поле є вплив , що рухомі електричні заряди на просторі , яке оточує їх. Заряди завжди мають електричне поле, але тільки ті, що перебувають у русі, можуть генерувати магнітні ефекти.

Про існування магнетизму відомо вже давно. Стародавні греки описували мінерал, здатний приваблювати невеликі шматочки заліза: це був вапняк або магнетит.

Рисунок 1. Зразок магнетиту. Джерело: Wikimedia Commons. Rojinegro81.

Мудреці Фалес Мілет і Платон були зайняті записом магнітних ефектів у своїх творах; до речі, вони також знали статичну електрику.

Але магнетизм не став асоціюватися з електрикою до 19 століття, коли Ганс Крістіан Ерстед зауважив, що компас відхиляється в районі струмопровідного проводу.

Сьогодні ми знаємо, що електрика та магнетизм - це, так би мовити, дві сторони однієї монети.

Магнітне поле у ​​фізиці

У фізиці термін магнітне поле - це векторна величина, з модулем (його числовим значенням), напрямом у просторі та сенсі. Він також має два значення. Перший вектор іноді називають магнітної індукції і позначається B .

Одиницею B у Міжнародній системі одиниць є тесла, скорочено T. Інша кількість, яка також називається магнітним полем, - H , відома також як напруженість магнітного поля і одиниця якої ампер / метр.

Обидві величини пропорційні, але вони визначаються таким чином, щоб врахувати вплив магнітних матеріалів на поля, що проходять через них.

Якщо матеріал розміщений посередині зовнішнього магнітного поля, отримане поле буде залежати від цього, а також від власного магнітного відгуку матеріалу. Ось чому B і H пов'язані між собою:

В = М _м Н

Тут μ _m - константа, що залежить від матеріалу і має відповідні одиниці, так що при множенні на H результат є тесла.

С

-Магнітне поле є векторною величиною, тому воно має величину, напрямок і сенс.

-Одиницею магнітного поля B в Міжнародній системі є тесла, скорочено T, тоді як H - ампер / метр. Інші одиниці, які часто зустрічаються в літературі, - це гауси (G) та вивернуті.

-Магнітні лінії поля - це завжди замкнені петлі, залишаючи північний полюс і входячи в південний полюс. Поле завжди дотичне до ліній.

-Магнітні полюси завжди представлені парою Північ-Південь. Неможливо мати ізольований магнітний полюс.

-Це завжди походить від руху електричних зарядів.

-Інтенсивність його пропорційна величині навантаження або струму, який його виробляє.

-Залежність магнітного поля зменшується із оберненою площею відстані.

-Магнітні поля можуть бути постійними або змінними, як у часі, так і в просторі.

-Магнітне поле здатне чинити магнітну силу на рухомий заряд або на провід, який несе струм.

Полюси магніту

Штриховий магніт завжди має два магнітні полюси: північний і південний полюс. Дуже легко переконатися, що полюси одного знака відштовхуються, тоді як ті, що мають різні типи, приваблюють.

Це досить схоже на те, що відбувається з електричними зарядами. Також можна помітити, що чим ближче вони, тим більша сила, з якою вони притягують або відштовхують один одного.

Барні магніти мають характерний малюнок ліній поля. Вони є різкими кривими, залишаючи північний полюс і входячи в південний полюс.

Малюнок 2. Лінії магнітного поля смугового магніту. Джерело: Wikimedia Commons.

Простий експеримент, щоб подивитися на ці лінії - це розповсюдити залізні плівки зверху на аркуші паперу і покласти під них магніт смуги.

Інтенсивність магнітного поля задається як функція густини ліній поля. Вони завжди найгустіші біля полюсів, і вони поширюються, коли ми віддаляємось від магніту.

Магніт також відомий як магнітний диполь, у якому два полюси - саме північний і південний магнітні полюси.

Але їх ніколи не можна розділити. Якщо розрізати магніт навпіл, ви отримаєте два магніти, кожен з яких має відповідний північний та південний полюси. Ізольовані полюси називають магнітними монополями, але на сьогоднішній день жоден не був виділений.

Джерела

Можна говорити про різні джерела магнітного поля. Вони варіюються від магнітних мінералів, через саму Землю, яка поводиться як великий магніт, до електромагнітів.

Але правда полягає в тому, що кожне магнітне поле має своє походження в русі заряджених частинок.

Пізніше ми побачимо, що первісне джерело всього магнетизму мешкає в крихітних струмах всередині атома, в основному в тих, які виробляються за рахунок руху електронів навколо ядра та квантових ефектів, наявних в атомі.

Однак, щодо його макроскопічного походження, можна думати про природні та штучні джерела.

Природні джерела в принципі не «вимикаються», вони є постійними магнітами, однак треба враховувати, що тепло руйнує магнетизм речовин.

Що стосується штучних джерел, магнітний ефект можна придушити і контролювати. Тому у нас є:

-Магнети природного походження, виготовлені з магнітних мінералів, таких як магнетит і маггеміт, наприклад, оксиди заліза.

-Електричні струми та електромагніти.

Магнітні мінерали та електромагніти

У природі є різні сполуки, які виявляють неабиякі магнітні властивості. Вони здатні залучати, наприклад, шматочки заліза та нікелю, а також інші магніти.

Згадані оксиди заліза, такі як магнетит та магеміт, є зразками цього класу речовин.

Магнітна сприйнятливість - це параметр, який використовується для кількісної оцінки магнітних властивостей гірських порід. Основні магматичні породи - це ті, що мають найбільшу сприйнятливість, завдяки високому вмісту магнетиту.

З іншого боку, доки у вас є провід, який несе струм, там буде пов'язане магнітне поле. Тут у нас є ще один спосіб генерації поля, яке в даному випадку набуває форми концентричних кіл з дротом.

Напрямок руху поля задається правилом великого великого пальця. Коли великий палець правої руки вказує у напрямку струму, чотири пальці, що залишилися, будуть вказувати напрямок, у якому зігнуті лінії поля.

Малюнок 3. Правило великого пальця правої руки для отримання напрямку та відчуття магнітного поля. Джерело: Wikimedia Commons.

Електромагніт - це пристрій, який виробляє магнетизм від електричних струмів. Він має перевагу в тому, що можна включати та вимикати за бажанням. Коли струм припиняється, магнітне поле зникає. Крім того, напруженість поля також можна контролювати.

Електромагніти є частиною різних пристроїв, включаючи динаміки, жорсткі диски, двигуни та реле, серед іншого.

Магнітна сила на рухомий заряд

Існування магнітного поля B можна перевірити за допомогою випробуваного електричного заряду q-, який називається швидкістю v . Для цього виключена наявність електричних і гравітаційних полів, принаймні на даний момент.

У такому випадку сила, випробована зарядом q, що позначається як F _B , цілком обумовлена ​​впливом поля. Якісно спостерігається таке:

-Великість F _B пропорційна q і швидкості v.

-Якщо v паралельна вектору магнітного поля, величина F _B дорівнює нулю.

-Магнітна сила перпендикулярна як v, так і B.

-Зрештою, величина магнітної сили пропорційна sin θ, де θ - кут між вектором швидкості та вектором магнітного поля.

Все вищезазначене справедливо як для позитивних, так і для негативних витрат. Єдина відмінність полягає в тому, що напрямок магнітної сили є зворотним.

Ці спостереження узгоджуються з векторним твором між двома векторами, так що магнітна сила, яку відчуває точковий заряд q, що рухається зі швидкістю v посеред магнітного поля:

F _B = q v x B

Чий модуль:

Малюнок 4. Праворучне правило магнітної сили на позитивний точковий заряд. Джерело: Wikimedia Commons.

Як утворюється магнітне поле?

Наприклад, є кілька способів:

-Намагнічуючи відповідну речовину.

- Пропускання електричного струму через струмопровідний провід.

Але походження магнетизму в матерії пояснюється пам’ятанням, що воно повинно бути пов’язане з рухом зарядів.

Електрон, що обертається навколо ядра, - це по суті крихітний замкнутий ланцюг струму, але такий, який здатний істотно сприяти магнетизму атома. У шматку магнітного матеріалу дуже багато електронів.

Цей внесок у магнетизм атома називають орбітальним магнітним моментом. Але є і більше, тому що переклад - не єдиний рух електрона. Він також має магнітний спіновий момент - квантовий ефект, аналогією якого є обертання електрона на його осі.

Насправді магнітний момент віджиму є основною причиною магнетизму атома.

Типи

Магнітне поле здатне приймати безліч форм, залежно від розподілу струмів, які його породжують. У свою чергу, він може змінюватись не тільки в просторі, але і в часі, або обох одночасно.

-Поблизу полюсів електромагніту є приблизно постійне поле.

-Также всередині соленоїда виходить поле високої інтенсивності та рівномірне, при цьому лінії поля спрямовані вздовж осьової осі.

-Магнітне поле Землі досить добре наближається до поля бар-магніту, особливо в районі поверхні. Далі сонячний вітер змінює електричні струми і помітно деформує його.

-Дріт, який несе струм, має поле у ​​вигляді концентричних кіл з дротом.

Щодо того, чи може поле змінюватися з часом чи ні, ми маємо:

-Статичні магнітні поля, коли ні їх величина, ні їх напрямок з часом не змінюються. Поле штангового магніту - хороший приклад цього типу поля. Також ті, що походять від проводів, що проводять стаціонарні струми.

-Змінні поля в часі, якщо будь-яка їх характеристика змінюється з часом. Один із способів їх отримання - це генератори змінного струму, які використовують явище магнітної індукції. Вони зустрічаються у багатьох часто використовуваних пристроях, наприклад мобільних телефонах.

Закон Біо-Саварта

Коли потрібно обчислити форму магнітного поля, виробленого розподілом струмів, можна використовувати закон Біо-Саварта, відкритий у 1820 р. Французькими фізиками Жаном Марі Біо (1774-1862) та Фелікс Саваром (1791-1841). ).

Для деяких розподілів струму з простими геометріями математичний вираз для вектора магнітного поля можна отримати безпосередньо.

Припустимо, у нас є дротяний відрізок диференціальної довжини dl, який здійснює електричний струм I. Дріт також вважатиметься у вакуумі. Магнітне поле, яке виробляє цей розподіл:

-Зменшується з оберненою площею відстані до дроту.

-Пропорційна інтенсивності струму I, який проходить через дріт.

-Вий напрямок є дотичним до окружності радіуса r, орієнтованого на дріт, і його напрямок задається правилом великого пальця.

- μ _o = 4π. 10 ^-7 Тм / А

- d B - диференціал магнітного поля.

- I - інтенсивність струму, що протікає через дріт.

- r - відстань між центром дроту і точкою, де потрібно знайти поле.

-r - вектор, який йде від дроту до точки, де потрібно обчислити поле.

Приклади

Нижче наведено два приклади магнітного поля та їх аналітичні вирази.

Магнітне поле виробляється дуже довгим прямолінійним дротом

За допомогою закону Біо-Саварта можна отримати поле, вироблене тонким кінцевим провідником, який несе струм I. результат:

Поле, створене котушкою Гельмгольца

Котушка Гельмгольца складається з двох однакових і концентричних кругових котушок, до яких пропускається однаковий струм. Вони служать для створення приблизно рівномірного магнітного поля всередині нього.

Малюнок 5. Схема котушок Гельмгольца. Джерело: Wikimedia Commons.

Його величина в центрі котушки становить:

Y спрямований уздовж осьової осі. Факторами рівняння є:

- N являє собою кількість витків котушок

- Я - величина струму

- μ _o - магнітна проникність вакууму

- R - радіус котушок.

Список літератури

1. Фігероа, Д. (2005). Серія: Фізика для науки та техніки. Том 1. Кінематика. Під редакцією Дугласа Фігероа (USB).
2. Магнітне поле сили Н . Відновлено з: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
3. Кіркпатрик, Л. 2007. Фізика: погляд у світ. 6-е скорочене видання. Cengage Learning.
4. Магнітне поле та магнітні сили. Відновлено з: physics.ucf.edu.
5. Рекс, А. 2011. Основи фізики. Пірсон.
6. Serway, R., Jewett, J. (2008). Фізика для науки та техніки. Том 2. 7-й. За ред.
7. Університет Віго. Приклади магнетизму. Відновлено з: quintans.webs.uvigo.es