Какая физическая величина характеризует магнитное поле

Магнитное поле

Вокруг каждого проводника с током существует магнитное поле. Электрический ток и магнитное поле всегда существуют одновременно и являются лишь различными характеристиками одного и того же физического процесса.

Магнитное поле может:

ориентировать в пространстве магнитную стрелку;

действовать на движущиеся в магнитном поле электрические заряды;

действовать на проводник с током (принцип действия электродвигателя);

создавать на концах проводника, находящего в магнитном поле, разность потенциалов (принцип действия генераторов).

Магнитное поле изображают с помощью магнитных силовых линий, направление которых условно принято во внешнем пространстве от NкS.

Магнитные силовые линии всегда замкнуты, за направление магнитных силовых линий заданных точек принимают такое, которое укажет Nконец магнитной стрелки, помещенной в данной точке.

Направление магнитных силовых линий вокруг проводника с током определяется по правилубуравчика: если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то вращение рукоятки указывает направление магнитных силовых линий.

Магнитное поле в центре кругового проводника с током также определяется по правилу буравчика, при этом, если вращательное движение буравчика совпадает с направлением кругового тока, то поступательное укажет направление магнитных силовых линий.

Также по этому правилу определяется направление магнитных силовых линий и катушки с током. Это же логично сделать, используя правило обхвата правой рукой. Если правую руку положить на катушку так, чтобы четыре пальца указывали направление тока, то большой палец укажет направление магнитных силовых линий внутри катушки.

Величины, характеризующие магнитное поле

1. Магнитная индукция.Если в однородное магнитное поле поместить проводник с током, то на него будет действовать сила. Величина этой силы определяется законом Ампера, согласно которому..

— магнитная индукция поля.

; если , то

Таким образом, магнитная индукция – величина, численно равная силе, с которой поле действует на проводник с током в 1Аи длиной в1м.

Если левую руку поставить так, чтоб магнитные силовые линии входили в ладонь, а 4 вытянутых пальца указывали направление тока, то большой палец укажет направление силы, действующей на проводник.

Магнитная индукция – величина векторная и является силовой характеристикой поля.

За направление вектора магнитной индукции в каждой точке поля принимают направление магнитных силовых линий.

Магнитные силовые линии перпендикулярны проводнику с током, то .

2. Магнитный поток.

Величина, измеряемая произведением магнитной индукции на величину площади, перпендикулярной векторам магнитной индукции, называется магнитным потоком.

Для неоднородного поля на площадке выделяют элементарную площадь , на которой поле будет однородным.

3. Магнитная проницаемость

Различают абсолютнуюиотносительнуюмагнитную проницаемость среды.

Абсолютная магнитная проницаемость среды характеризует магнитные свойства среды, в которой возникло магнитное поле.

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной.

Величина, показывающая, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость среды больше или меньше абсолютной магнитной проницаемости вакуума, называется относительной магнитной проницаемостью

В зависимости от величины  все вещества подразделяются на парамагнитные, диамагнитные и ферромагнитные.

У парамагнитных веществ (дляAl =1,000023).

У диамагнитных веществ (дляСи =0,99991).

У ферромагнитных веществ , то есть в 10100 тысяч раз больше 1.

4. Напряженность магнитного поля

Напряженность как и магнитная индукция характеризует интенсивность магнитного поля, но не зависит от свойств среды.

Напряженность – величина векторная, направление вектора напряженности совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Величина, равная произведению напряженности магнитного поля Нна участок длины магнитной силовой линииl, называетсямагнитным напряжением:

Магнитное напряжение, вычисленное по всей длине lмагнитной силовой линии, называетсямагнитодвижущей силой, или намагничивающей силой:

или

Теория магнитного поля и интересные факты о магнитном поле Земли

Давайте вместе разбираться в том, что такое магнитное поле. Ведь многие люди живут в этом поле всю жизнь и даже не задумываются о нем. Пора это исправить!

Магнитное поле

Магнитное поле – особый вид материи. Оно проявляется в действии на движущиеся электрические заряды и тела, которые обладают собственным магнитным моментом (постоянные магниты).

Важно: на неподвижные заряды магнитное поле не действует! Создается магнитное поле также движущимися электрическими зарядами, либо изменяющимся во времени электрическим полем, либо магнитными моментами электронов в атомах. То есть любой провод, по которому течет ток, становится также и магнитом!

Магнит — тело, обладающее собственным магнитным полем.

У магнита есть полюса, называемые северным и южным. Обозначения «северный» и «южный» даны лишь для удобства (как «плюс» и «минус» в электричестве).

Магнитное поле изображается посредством силовых магнитных линий. Силовые линии непрерывны и замкнуты, а их направление всегда совпадает с направлением действия сил поля. Если вокруг постоянного магнита рассыпать металлическую стружку, частицы металла покажут наглядную картину силовых линий магнитного поля, выходящих из северного и входящих в южный полюс. Графическая характеристика магнитного поля — силовые линии.

Картина магнитного поля

Характеристики магнитного поля

Основными характеристиками магнитного поля являются магнитная индукция, магнитный поток и магнитная проницаемость. Но давайте обо всем по порядку.

Сразу отметим, что все единицы измерения приводятся в системе СИ.

Магнитная индукция B – векторная физическая величина, являющаяся основной силовой характеристикой магнитного поля. Обозначается буквой B. Единица измерения магнитной индукции – Тесла (Тл).

Магнитная индукция показывает, насколько сильно поле, определяя силу, с которой оно действует на заряд. Данная сила называется силой Лоренца.

Здесь q — заряд, v — его скорость в магнитном поле, B — индукция, F — сила Лоренца, с которой поле действует на заряд.

Магнитный поток Ф – физическая величина, равная произведению магнитной индукции на площадь контура и косинус между вектором индукции и нормалью к плоскости контура, через который проходит поток. Магнитный поток — скалярная характеристика магнитного поля.

Можно сказать, что магнитный поток характеризует количество линий магнитной индукции, пронизывающих единицу площади. Магнитный поток измеряется в Веберах (Вб).

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

Магнитное поле Земли

Наша планета на протяжении нескольких миллиардов лет является огромным магнитом. Индукция магнитного поля Земли изменяется в зависимости от координат. На экваторе она равна примерно 3,1 на 10 в минус пятой степени Тесла. К тому же существуют магнитные аномалии, где значение и направление поля существенно отличаются от соседних областей. Одни из самых крупных магнитных аномалий на планете — Курская и Бразильская магнитные аномалии.

Происхождение магнитного поля Земли до сих пор остается загадкой для ученых. Предполагается, что источником поля является жидкое металлическое ядро Земли. Ядро движется, значит, движется расплавленный железо-никелевый сплав, а движение заряженных частиц – это и есть электрический ток, порождающий магнитное поле. Проблема в том, что эта теория (геодинамо) не объясняет того, как поле сохраняется устойчивым.

Магнитное поле земли

Земля – огромный магнитный диполь. Магнитные полюса не совпадают с географическими, хотя и находятся в непосредственной близости. Более того, магнитные полюса Земли движутся. Их смещение регистрируется с 1885 года. Например, за последние сто лет магнитный полюс в Южном полушарии сместился почти на 900 километров и сейчас находится в Южном океане. Полюс арктического полушария движется через Северный Ледовитый океан к Восточно-Сибирской магнитной аномалии, скорость его передвижения (по данным 2004 года) составила около 60 километров в год. Сейчас наблюдается ускорение движения полюсов — в среднем скорость растет на 3 километра в год.

Каково значение магнитного поля Земли для нас? В первую очередь магнитное поле Земли защищает планету от космических лучей и солнечного ветра. Заряженные частицы из далекого космоса не падают прямо на землю, а отклоняются гигантским магнитом и движутся вдоль его силовых линий. Таким образом, все живое оказывается защищенным от пагубной радиации.

Магнитное поле Земли

За историю Земли происходило несколько инверсий (смен) магнитных полюсов. Инверсия полюсов – это когда они меняются местами. Последний раз это явление произошло около 800 тысяч лет назад, а всего геомагнитных инверсий в истории Земли было более 400. Некоторые ученые полагают, что с учетом наблюдающегося ускорения движения магнитных полюсов следующей инверсии полюсов следует ожидать в ближайшие пару тысяч лет.

К счастью, в нашем веке смены полюсов пока не ожидается. А значит, можно думать о приятном и наслаждаться жизнью в старом добром постоянном поле Земли, рассмотрев основные свойства и характеристики магнитного поля.

Магнитное поле и его характеристики

При прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле. Магнитное поле представляет собой один из видов материи. Оно обладает энергией, которая проявляет себя в виде электромагнитных сил, действующих на отдельные движущиеся электрические заряды (электроны и ионы) и на их потоки, т. е. электрический ток. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются от своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю (рис. 1). Магнитное поле образуется только вокруг движущихся электрических зарядов, и его действие распространяется тоже лишь на движущиеся заряды. Магнитное и электрическое поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле. Всякое изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля и, наоборот, всякое изменение магнитного поля сопровождается возникновением электрического поля. Электромагнитное поле распространяется со скоростью света, т. е. \(300\ 000\) км/с.

Графическое изображение магнитного поля. Графически магнитное поле изображают магнитными силовыми линиями, которые проводят так, чтобы направление силовой линии в каждой точке поля совпадало с направлением сил поля; магнитные силовые линии всегда являются непрерывными и замкнутыми. Направление магнитного поля в каждой точке может быть определено при помощи магнитной стрелки. Северный полюс стрелки всегда устанавливается в направлении действия сил поля. Конец постоянного магнита, из которого выходят силовые линии (рис. 2, а), принято считать северным полюсом, а противоположный конец, в который входят силовые линии, – южным полюсом (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны). Распределение силовых линий между полюсами плоского магнита можно обнаружить при помощи стальных опилок, насыпанных на лист бумаги, положенный на полюсы (рис. 2, б). Для магнитного поля в воздушном зазоре между двумя параллельно расположенными разноименными полюсами постоянного магнита характерно равномерное распределение силовых магнитных линий (рис. 3) (силовые линии, проходящие внутри магнита, не показаны).

Рис.1 Схемы действия магнитного поля на движущиеся электрические заряды: положительный ион (а) и электрон (б).

Рис. 2 Магнитное поле, созданное постоянным магнитом.

Рис. 3 Однородное магнитное поле между полюсами постоянного магнита.

Рис. 4 Магнитный поток, пронизывающий катушку при перпендикулярном (а) и наклонном (б) ее положениях по отношению к направлению магнитных силовых линий.

Для более наглядного изображения магнитного поля силовые линии располагают реже или гуще. В тех местах, где магнитное поле сильнее, силовые линии располагают ближе друг к другу, там же, где оно слабее, – дальше друг от друга. Силовые линии нигде не пересекаются. Во многих случаях удобно рассматривать магнитные силовые линии как некоторые упругие растянутые нити, которые стремятся сократиться, а также взаимно отталкиваются друг от друга (имеют взаимный боковой распор). Такое механическое представление о силовых линиях 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. Интенсивность магнитного поля, т. е. способность его производить работу, определяется величиной, называемой магнитной индукцией. Чем сильнее магнитное поле, созданное постоянным магнитом или электромагнитом, тем большую индукцию оно имеет. Магнитную индукцию В можно характеризовать плотностью силовых магнитных линий, т. е. числом силовых линий, проходящих через площадь 1 м \(^2\) или 1 см \(^2\) , расположенную перпендикулярно магнитному полю. Различают однородные и неоднородные магнитные поля. В однородном магнитном поле магнитная индукция в каждой точке поля имеет одинаковое значение и направление. Однородным может считаться поле в воздушном зазоре между разноименными полюсами магнита или электромагнита (см. рис. 3) при некотором удалении от его краев. Магнитный поток Ф, проходящий через какую-либо поверхность, определяется общим числом магнитных силовых линий, пронизывающих эту поверхность, например катушку 1 (рис. 4, а), следовательно, в однородном магнитном поле Ф = BS, где S – площадь поперечного сечения поверхности, через которую проходят магнитные силовые линии. Отсюда следует, что в таком поле магнитная индукция равна потоку, поделенному на площадь S поперечного сечения: \(B =\frac Ф S\) . Если какая-либо поверхность расположена наклонно по отношению к направлению магнитных силовых линий (рис. 4, б), то пронизывающий ее поток будет меньше, чем при перпендикулярном ее положении, т. е. Ф _{\(_2\)} будет меньше Ф _{\(_1\)} . В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб), эта единица имеет размерность В*с (вольт-секунда). Магнитная индукция в системе единиц СИ измеряется в теслах (Тл); 1 Тл = 1 Вб/м \(^2\) .

Магнитный поток проходит сквозь солнечное пятно площадью \(1,2\cdot 10^<15>\) м \(^2\) . Если средняя индукция магнитного поля пятна равна \(0,3\) Тл, а линии индукции магнитного поля пятна перпендикулярны его поверхности, то магнитный поток равен

Если смотреть сверху, то линии магнитной индукции направлены

Через катушку индуктивностью \(3\) Гн протекает постоянный электрический ток. Если сила тока в этой цепи равна \(4\) А, то энергия магнитного поля катушки равна

Что создает магнитное поле?

В чем измеряется индуктивность?

При уменьшении силы тока в проволочной катушке с \(6\) А до \(4\) А произошло уменьшение энергии магнитного поля на \(2\) Дж. Определите, на сколько уменьшился магнитный поток, пронизывающий катушку.

Магнитное поле

Магни́тное по́ле — силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом, независимо от состояния их движения [1] , магнитная составляющая электромагнитного поля [2]

Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц и/или магнитными моментами электронов в атомах (и магнитными моментами других частиц, хотя в заметно меньшей степени) (постоянные магниты).

Кроме этого, оно появляется при наличии изменяющегося во времени электрического поля.

Основной силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции

• С точки зрения квантовой теории поля магнитное взаимодействие — как частный случай электромагнитного взаимодействия переносится фундаментальным безмассовым бозоном — фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля), часто (например, во всех случаях статических полей) — виртуальным.

Содержание

Источники магнитного поля

Магнитное поле создаётся (порождается) током заряженных частиц, или изменяющимся во времени электрическим полем, или собственными магнитными моментами частиц (последние для единообразия картины могут быть формальным образом сведены к электрическим токам).

Вычисление

В простых случаях магнитное поле проводника с током (в том числе и для случая тока, распределённого произвольным образом по объёму или пространству) может быть найдено из закона Био — Савара — Лапласа или теоремы о циркуляции (она же — закон Ампера). В принципе, этот способ ограничивается случаем (приближением) магнитостатики — то есть случаем постоянных (если речь идёт о строгой применимости) или достаточно медленно меняющихся (если речь идёт о приближенном применении) магнитных и электрических полей.

В более сложных ситуациях ищется как решение уравнений Максвелла.

Проявление магнитного поля

Магнитное поле проявляется в воздействии на магнитные моменты частиц и тел, на движущиеся заряженные частицы (или проводники с током). Сила, действующая на движущуюся в магнитном поле электрически заряженную частицу, называется силой Лоренца, которая всегда направлена перпендикулярно к векторам v и B [3] . Она пропорциональна заряду частицы q , составляющей скорости v , перпендикулярной направлению вектора магнитного поля B , и величине индукции магнитного поля B . В системе единиц СИ сила Лоренца выражается так:

В линейном тензорном приближении магнитная проницаемость есть тензор (обозначим его ) и умножение вектора на неё есть тензорное (матричное) умножение:

или в компонентах [13]  — магнитная постоянная

При выборе осей координат совпадающими с главными осями [14] тензора магнитной проницаемости формулы в компонентах упрощаются:

 — относительная магнитная проницаемость

В вакууме и:

Хотя магниты и магнетизм были известны гораздо раньше, изучение магнитного поля началось в 1269 году, когда французский ученый Пётр Перегрин (рыцарь Пьер из Мерикура) отметил магнитное поле на поверхности сферического магнита, применяя стальные иглы, и определил, что получающиеся линии магнитного поля пересекались в двух точках, которые он назвал «полюсами» по аналогии с полюсами Земли. Почти три столетия спустя, Уильям Гильберт Колчестер использовал труд Петра Перегрина и впервые определённо заявил, что сама Земля является магнитом. Опубликованная в 1600 году, работа Гилберта «De Magnete», заложила основы магнетизма как науки. [16]

В 1750 году Джон Мичелл заявил, что магнитные полюса притягиваются и отталкиваются в соответствии с законом обратных квадратов. Шарль-Огюстен де Кулон экспериментально проверил это утверждение в 1785 году и прямо заявил, что Северный и Южный полюс не могут быть разделены. Основываясь на этой силе, существующей между полюсами, Симеон Дени Пуассон, (1781—1840) создал первую успешную модель магнитного поля, которую он представил в 1824 году. В этой модели магнитное H-поле производится магнитными полюсами и магнетизм происходит из-за нескольких пар (север/юг) магнитных полюсов (диполей). [16]

Три открытия подряд бросили вызов этой «основе магнетизма». Во-первых, в 1819 году Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что электрический ток создает магнитное поле вокруг себя. Затем, в 1820 году, Андре-Мари Ампер показал, что параллельные провода, по которым идёт ток в одном и том же направлении, притягиваются друг к другу. Наконец, Жан-Батист Био и Феликс Савар в 1820 году открыли закон, названный законом Био-Савара-Лапласа, который правильно предсказывал магнитное поле вокруг любого провода, находящегося под напряжением. [16]

Расширив эти эксперименты, Ампер издал свою собственную успешную модель магнетизма в 1825 году. В ней он показал эквивалентность электрического тока в магнитах, и вместо диполей магнитных зарядов модели Пуассона, предложил идею, что магнетизм связан с постоянно текущими петлями тока. Эта идея объясняла, почему магнитный заряд не может быть изолирован. Кроме того, Ампер вывел закон, названный его именем, который, как и закон Био-Савара-Лапласа, правильно описал магнитное поля, создаваемое постоянным током, а также была введена теорема о циркуляции магнитного поля. Кроме того, в этой работе, Ампер ввел термин «электродинамика» для описания взаимосвязи между электричеством и магнетизмом. [16]

В 1831 году Майкл Фарадей открыл электромагнитную индукцию, когда он обнаружил, что переменное магнитное поле порождает электричество. Он создал определение этого феномена, которое известно как закон электромагнитной индукции Фарадея. Позже Франц Эрнст Нейман доказал, что для движущегося проводника в магнитном поле, индукция является следствием действия закона Ампера. При этом он ввел векторный потенциал электромагнитного поля который, как позднее было показано, был эквивалентен основному механизму, предложенному Фарадеем. [16]

В 1850 году лорд Кельвин, тогда известный как Уильям Томсон, различие между двумя магнитными полями обозначил как поля H и B. Первое было применительно к модели Пуассона, а второе — к модели индукции Ампера. Кроме того, он вывел как H и B связаны друг с другом. [16]

Между 1861 и 1865 годами Джеймс Клерк Максвелл разработал и опубликовал уравнения Максвелла, которые объяснили и объединили электричество и магнетизм в классической физике. Первая подборка этих уравнений была опубликована в статье в 1861 году, озаглавленной «On Physical Lines of Force». Эти уравнения были признаны действительными, хотя и неполными. Максвелл завершил свои уравнения в своей более поздней работе 1865 года «Динамическая теория электромагнитного поля» и определил, что свет представляет собой электромагнитные волны. Генрих Герц экспериментально подтвердил этот факт в 1887 году. [16]

Хотя подразумеваемая в законе Ампера сила магнитного поля движущегося электрического заряда не была явно заявлена, в 1892 году Хендрик Лоренц вывел её из уравнений Максвелла. При этом классическая теория электродинамики была в основном завершена. [16]

Двадцатый век расширил взгляды на электродинамику, благодаря появлению теории относительности и квантовой механики. Альберт Эйнштейн в своей статье 1905 года, где была обоснована его теория относительности, показал, что электрические и магнитные поля являются частью одного и того же явления, рассматриваемого в разных системах отсчета. (См. Движущийся магнит и проблема проводника — мысленный эксперимент, который в конечном итоге помог Эйнштейну в разработке специальной теории относительности). Наконец, квантовая механика была объединена с электродинамикой для формирования квантовой электродинамики (КЭД). [16]

См. также

Примечания

1. ↑ БСЭ. 1973, «Советская энциклопедия».
2. ↑ В частных случаях магнитное поле может существовать и в отсутствие электрического поля, но вообще говоря магнитное поле глубоко взаимосвязано с электрическим как динамически (взаимное порождение переменными электрическим и магнитным полем друг друга), так и в том смысле, что при переходе в новую систему отсчёта магнитное и электрическое поле выражаются друг через друга, то есть вообще говоря не могут быть безусловно разделены.
3. ↑ 12Яворский Б. М., Детлаф А. А. Справочник по физике: 2-е изд., перераб. — М .: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1985, — 512 с.
4. ↑ В СИ магнитная индукция измеряется в теслах (Тл), в системе СГС в гауссах.
5. ↑ Точно совпадают в системе единиц СГС, в СИ — отличаются постоянным коэффициентом, что, конечно, не меняет факта их практического физического тождества.
6. ↑ Самым важным и лежащим на поверхности отличием тут является то, что сила, действующая на движущуюся частицу (или на магнитный диполь) вычисляются именно через Ipad не настроен что делать
7. В посудомойке мокрая посуда после мытья почему
8. Как подключить проточный водонагреватель
9. Почему прыгает стиральная машина при отжиме канди