Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

При подключении к двум параллельным проводникам электрического тока, они будут притягиваться или отталкиваться, в зависимости от направления (полярности) подключенного тока. Это объясняется явлением возникновения материи особого рода вокруг этих проводников. Эта материя называется магнитное поле (МП). Магнитной силой называется сила, с которой проводники действуют друг на друга.

Теория магнетизма возникла еще в древности, в античной цивилизации Азии. В Магнезии в горах нашли особую породу, куски которой могли притягиваться между собой. По названию места эту породу назвали «магнетиками». Стержневой магнит содержит два полюса. На полюсах особенно сильно обнаруживаются его магнитные свойства.

Магнит, висящий на нитке, своими полюсами будет показывать стороны горизонта. Его полюса будут повернуты на север и юг. На таком принципе действует устройство компаса. Разноименные полюсы двух магнитов притягиваются, а одноименные отталкиваются.

Ученые обнаружили, что намагниченная стрелка, находящаяся возле проводника, отклоняется при прохождении по нему электрического тока. Это говорит о том, что вокруг него образуется МП.

Магнитное поле оказывает влияние на:
  • Перемещающиеся электрические заряды.
  • Вещества, называемые ферромагнетиками: железо, чугун, их сплавы.

Постоянные магниты – тела, имеющие общий магнитный момент заряженных частиц (электронов).

1 — Южный полюс магнита
2 — Северный полюс магнита
3 — МП на примере металлических опилок
4 — Направление магнитного поля

Силовые линии появляются при приближении постоянного магнита к бумажному листу, на который насыпан слой железных опилок. На рисунке четко видны места полюсов с ориентированными силовыми линиями.

Источники магнитного поля

  • Электрическое поле, меняющееся во времени.
  • Подвижные заряды.
  • Постоянные магниты.

С детства нам знакомы постоянные магниты.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение Они использовались в качестве игрушек, которые притягивали к себе различные металлические детали. Их прикрепляли к холодильнику, они были встроены в различные игрушки.

Электрические заряды, которые находятся в движении, чаще всего имеют больше магнитной энергии, по сравнению с постоянными магнитами.

Свойства

  • Главным отличительным признаком и свойством магнитного поля является относительность. Если неподвижно оставить заряженное тело в некоторой системе отсчета, а рядом расположить магнитную стрелку, то она укажет на север, и при этом не «почувствует» постороннего поля, кроме поля земли. А если заряженное тело начать двигать возле стрелки, то вокруг тела появится МП. В результате становится ясно, что МП формируется только при передвижении некоторого заряда.
  • Магнитное поле способно воздействовать и влиять на электрический ток. Его можно обнаружить, если проконтролировать движение заряженных электронов. В магнитном поле частицы с зарядом отклонятся, проводники с протекающим током будут перемещаться. Рамка с подключенным питанием тока станет поворачиваться, а намагниченные материалы переместятся на некоторое расстояние. Стрелка компаса чаще всего окрашивается в синий цвет. Она является полоской намагниченной стали. Компас ориентируется всегда на север, так как у Земли есть МП. Вся планета – это как большой магнит со своими полюсами.

Магнитное поле не воспринимается человеческими органами, и может фиксироваться только особыми приборами и датчиками. Оно бывает переменного и постоянного вида. Переменное поле обычно создается специальными индукторами, которые функционируют от переменного тока. Постоянное поле формируется неизменным электрическим полем.

Основные правила

Правило буравчика

Силовая линия изображается в плоскости, которая расположена под углом 900 к пути движения тока таким образом, чтобы в каждой точке сила была направлена по касательной к линии.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

Чтобы определить направление магнитных сил, нужно вспомнить правило буравчика с правой резьбой.

Буравчик нужно расположить по одной оси с вектором тока, рукоятку вращать таким образом, чтобы буравчик двигался в сторону его направления. В этом случае ориентация линий определится вращением рукоятки буравчика.

Правило буравчика для кольца

Поступательное перемещение буравчика в проводнике, выполненном в виде кольца, показывает, как ориентирована индукция, вращение совпадает с течением тока.

Силовые линии имеют свое продолжение внутри магнита и не могут быть разомкнутыми.

Магнитное поле разных источников суммируются между собой. При этом они создают общее поле.

Магниты с одинаковыми полюсами отталкиваются, а с разными – притягиваются. Значение силы взаимодействия зависит от удаленности между ними. При приближении полюсов сила возрастает.

Параметры магнитного поля

  • Сцепление потоков (Ψ).
  • Вектор магнитной индукции (В).
  • Магнитный поток (Ф).

Интенсивность магнитного поля вычисляется размером вектора магнитной индукции, которая зависит от силы F, и формируется током I по проводнику, имеющему длину l: В = F / (I * l).

Магнитная индукция измеряется в Тесла (Тл), в честь ученого, изучавшего явления магнетизма и занимавшегося их методами расчета. 1 Тл равна индукции магнитного потока силой 1 Н на длине 1 м прямого проводника, находящегося под углом 900 к направлению поля, при протекающем токе в один ампер:

1 Тл = 1 х Н / (А х м).

Правило левой руки

Правило находит направление вектора магнитной индукции.

Если ладонь левой руки разместить в поле, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь из северного полюса под 900, а 4 пальца разместить по течению тока, большой палец покажет направление магнитной силы.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

Если проводник находится под другим углом, то сила будет прямо зависеть от тока и проекции проводника на плоскость, находящуюся под прямым углом.

Сила не зависит от вида материала проводника и его сечения. Если проводник отсутствует, а заряды движутся в другой среде, то сила не изменится.

При направлении вектора магнитного поля в одну сторону одной величины, поле называется равномерным. Различные среды влияют на размер вектора индукции.

Магнитный поток

Магнитная индукция, проходящая по некоторой площади S и ограниченная этой площадью, является магнитным потоком.

Если площадь имеет наклон на некоторый угол α к линии индукции, магнитный поток снижается на размер косинуса этого угла. Наибольшая его величина образуется при нахождении площади под прямым углом к магнитной индукции:

Ф = В * S.

Магнитный поток измеряется в такой единице, как «вебер», который равен протеканием индукции величиной 1 Тл по площади в 1 м2.

Потокосцепление

Такое понятие применяется для создания общего значения магнитного потока, который создан от некоторого числа проводников, находящихся между магнитными полюсами.

В случае, когда одинаковый ток I протекает по обмотке с количеством витков n, общий магнитный поток, образованный всеми витками, является потокосцеплением.

Потокосцепление Ψ измеряется в веберах, и равно: Ψ = n * Ф.

Магнитные свойства

Магнитная проницаемость определяет, насколько магнитное поле в определенной среде ниже или выше индукции поля в вакууме. Вещество называют намагниченным, если оно образует свое магнитное поле. При помещении вещества в магнитное поле у него появляется намагниченность.

Ученые определили причину, по которой тела получают магнитные свойства. Согласно гипотезе ученых внутри веществ есть электрические токи микроскопической величины.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение Электрон обладает своим магнитным моментом, который имеет квантовую природу, движется по некоторой орбите в атомах. Именно такими малыми токами определяются магнитные свойства.

Если токи движутся беспорядочно, то магнитные поля, вызываемые ими, самокомпенсируются. Внешнее поле делает токи упорядоченными, поэтому формируется магнитное поле. Это является намагниченностью вещества.

Различные вещества можно разделить по свойствам взаимодействия с магнитными полями. Их разделяют на группы:
  • Парамагнетики – вещества, имеющие свойства намагничивания в направлении внешнего поля, обладающие низкой возможностью магнетизма. Они имеют положительную напряженность поля. К таким веществам относят хлорное железо, марганец, платину и т. д.
  • Ферримагнетики – вещества с неуравновешенными по направлению и значению магнитными моментами. В них характерно наличие некомпенсированного антиферромагнетизма. Напряженность поля и температура влияет на их магнитную восприимчивость (различные оксиды).
  • Ферромагнетики – вещества с повышенной положительной восприимчивостью, зависящей от напряженности и температуры (кристаллы кобальта, никеля и т. д.).
  • Диамагнетики – обладают свойством намагничивания в противоположном направлении внешнего поля, то есть, отрицательное значение магнитной восприимчивости, не зависящая от напряженности. При отсутствии поля у этого вещества не будет магнитных свойств. К таким веществам относятся: серебро, висмут, азот, цинк, водород и другие вещества.
  • Антиферромагнетики – обладают уравновешенным магнитным моментом, вследствие чего образуется низкая степень намагничивания вещества. У них при нагревании осуществляется фазовый переход вещества, при котором возникают парамагнитные свойства. При снижении температуры ниже определенной границы, такие свойства появляться не будут (хром, марганец).
Рассмотренные магнетики также классифицируются еще по двум категориям:
  • Магнитомягкие материалы.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение Они обладают низкой коэрцитивной силой. При маломощных магнитных полях они могут войти в насыщение. При процессе перемагничивания у них наблюдаются незначительные потери. Вследствие этого такие материалы используются для производства сердечников электрических устройств, функционирующих на переменном напряжении (асинхронный электродвигатель, генератор, трансформатор).
  • Магнитотвердые материалы. Они обладают повышенной величиной коэрцитивной силы. Чтобы их перемагнитить, потребуется сильное магнитное поле. Такие материалы используются в производстве постоянных магнитов.

Магнитные свойства различных веществ находят свое использование в технических проектах и изобретениях.

Магнитные цепи

Объединение нескольких магнитных веществ называется магнитной цепью. Они являются подобием электрических цепей и определяются аналогичными законами математики.

На базе магнитных цепей действуют электрические приборы, индуктивности, трансформаторы. У функционирующего электромагнита поток протекает по магнитопроводу, изготовленному из ферромагнитного материала и воздуху, который не является ферромагнетиком. Объединение этих компонентов является магнитной цепью. Множество электрических устройств в своей конструкции содержат магнитные цепи.

Похожие темы:

Источники магнитного поля большой интенсивности


Компактная магнитная система из постоянных магнитов NdFeB, разработанная по принципу дипольной структуры Хальбаха, позволяет получить внутри цилиндрической полости высокооднородное магнитное поле с величиной магнитной индукции до 2-3 Тл. Система является эффективной и экономичной альтернативой электромагнитным источникам магнитного поля, и может использоваться в научных и прикладных исследованиях, требующих применения магнитных полей высокой интенсивности.

Геометрические размеры и магнитная индукция генераторов магнитного поля на основе цилиндрической Хальбах-структуры могут варьироваться в широких пределах, приведенные данные и фотографии являются типичными примерами.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

Вариант устройства, обеспечивающий значение поля в рабочей области до 1,2 Тл.

Основные характеристики источника 1.2 Тл:

Внешний диаметр сборки:

165 мм

Диаметр внутренней полости:

40 мм

Длина сборки:

125 мм

Масса:

13 кг

Величина магнитного поля в рабочей области:

1.2 Тл

Объем поля с неоднородностью менее ±0,5%:

Ø 40 x 20 мм

Генератор постоянного магнитного поля дипольного типа 2.6 Тл.

Распределение магнитного поля в рабочей области системы.

Основные характеристики источника 2.6 Тл:

Внешний диаметр сборки:

250 мм

Диаметр внутренней полости:

20 мм

Длина сборки:

880 мм

Масса:

330 кг

Величина магнитного поля в рабочей области:

2.6 Тл

Диаметр поля с неоднородностью менее ±0,5%:

12 мм

Распределение поля вдоль продольной оси:

показано на графике

ООО «ПМТиК» принимает заказы на изготовление источников постоянного магнитного поля по техническому заданию заказчика.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение Для повышения температурной стабильности поля магнитная система может быть изготовлена из магнитов SmCo.

С дополнительной информацией об источниках магнитного поля большой интенсивности можно ознакомиться в статье «Highly intensive magnetic systems», подготовленной AMT&C для журнала «Magnetics Technology International Journal».

Источники магнитного поля

Издревле человеку были известны вещества, способные притягивать железные предметы. Около древнего греческого города Магнесия подобные минералы встречались в изобилии, эти вещества получили название магниты в честь данного города. Речь идет о постоянных магнитах.

Характеристики магнитного поля

Экспериментально легко понять, что так же как электрические заряды окружены электрическим полем, так в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты имеется силовое поле, которое названо магнитным полем.

Присутствие магнитного поля можно обнаружить по его воздействию на постоянный магнит или проводник с током.

Отличительными чертами магнитного поля являются:

  1. Магнитные поля оказывают свое воздействие только на движущиеся в нем электрические заряды. Электрическое поле оказывает силовое действие на движущиеся в нем и неподвижные заряды.
  2. Характер действия магнитного поля зависит от формы проводника с током, расположения этого проводника в магнитном поле и направления текущего в проводнике тока.
  3. Для изучения магнитного поля применяют рамку с током, обладающую малыми размерами в сравнении с расстоянием до источника магнитного поля.

Замечание 1

Рамка с током – это замкнутый плоский контур, по которому течет ток. Ориентацию рамки с током характеризует нормаль к контуру. Положительным направлением нормали считают направление, которое связывает с током правило правого винта.

Определение 1

Силовое поле, которое создают постоянные магниты и постоянные токи, называют постоянным магнитным полем.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

Эксперименты Эрстеда

В 1820 году Эрстед доказал, что магнитные поле, помимо магнитов могут создавать электрические токи.

История открытия магнитного поля Эрстедом не лишена интереса. Ученый на лекции проводил эксперименты, которые должны были продемонстрировать нагрев проводников, если сквозь него проходит электрический ток. Студент, присутствовавший на лекции, сказал преподавателю о том, что в то время, когда он замыкает цепь, стрелка компаса, лежащего на столе, отклоняется от положения равновесия. Эрстед с большим вниманием отнесся к этому явлению и детально его изучил. В итоге он понял, что вокруг электрических токов возникает силовое поле, которое в полной мере аналогично полям, которые создают вокруг себя постоянные магниты.

Постоянный электрический ток – источник постоянного магнитного поля

На сегодняшний день достоверно установлено, что источником постоянного магнитного поля служит постоянный электрический ток.

Может возникнуть вопрос, что служит источником магнитного поля у постоянных магнитов, и нет ли противоречия со сказанным выше?

Магнитное поле постоянных магнитов тоже создают токи. Это микроскопические замкнутые молекулярные токи и собственные магнитные моменты микрочастиц.

Магнитное поле стоит исследовать в отдельности от электрического поля, в том случае, если это поле создано постоянными во времени электрическими токами.

Замечание 2

В веществах, магнитное поле внешних электрических токов складывается с магнитными полями, которые создаются молекулярными токами.

Источники переменного магнитного поля

Переменные электрические токи порождают переменные магнитные поля. В этом случае магнитное поле невозможно рассматривать в отдельности от электрического поля. Изменяющиеся электрические токи являются источником переменного магнитного поля. Это поле в свою очередь становится источником переменного электрического поля. Вновь созданное переменное электрическое поле порождает новое переменное магнитное поле.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение Как результат, мы имеем электромагнитное поле, в котором электрическую и магнитную компоненты невозможно отделить друг от друга, исследование магнитного поля в таком случае становится принципиально невозможным от электрического.

Определение 2

Магнитным полем называют особую разновидность материи, при помощи которой реализуется силовое действие на перемещающиеся электрические заряды, находящиеся в нем, и другие тела имеющие магнитный момент. Магнитное поле – компонент электромагнитного поля.

Количественные и качественные характеристики магнитного поля

Поместим малую рамку с током в магнитное поле. Экспериментально установим, что в этом поле на рамку действует момент силы $M$, который зависит от ряда параметров, и от положения рамки в поле. Наибольшая величина момента силы ( $M_{max}$) связана с магнитным полем, в котором она локализована и от параметров самого контура (силы тока $I$, текущего в нем, его площади ($S$ )):

$M_{max}\sim IS=p_{m}\left( 1 \right)$

где $p_m$ – магнитный момент контура с током. Магнитный момент — это характеристика контура с током и большого числа элементарных частиц, который определяет их поведение в магнитном поле.

Силовой характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции ($\vec{B})$. Магнитную индукцию поля в точке можно определить как отношение наибольшего вращающего момента, который оказывает воздействие на виток с током в магнитном поле, и магнитного момента рассматриваемого витка:

$B=\frac{M_{max}}{p_{m}}\left( 2 \right)$

Направление вектора магнитной индукции такое же, как у вектора магнитного момента ($\vec{p}_{m}$) при устойчивом положении равновесия контура.

Магнитное поле можно изображать при помощи линий магнитной индукции. Касательные к линиям магнитной индукции указывают направление B ⃗. Количество силовых линий поля, которые приходятся на единичную площадь, нормальную к линиям магнитной индукции, равно модулю $\vec{B}$. Линии магнитной индукции замкнуты (без конца и начала).Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

Магнитные поля являются вихревыми. Это означает, что циркуляция вектора $\vec{B}$ вдоль любой линии магнитной индукции отлична от нуля:

$\oint {B_{l}dl\ne 0\left( 3 \right).} $

Величина магнитной индукции поля при одном и том же токе и прочих равных условиях в разных веществах будет различаться.

Магнитное поле можно описывать при помощи вектора напряженности ($\vec{H}$). Если рассматриваемое вещество является однородным и магнитоизотропным, то

$\vec{B}=\mu \mu_{0}\vec{H}\left( 4 \right)$

где $\mu_{0}$ – магнитная постоянная; $\mu$ – магнитная проницаемость вещества.

Замечание 3

Магнитная проницаемость (μ) показывает, во сколько раз магнитное поле макротоков H увеличивается из-за наличия микротоков вещества.

Аналогии между характеристиками электрического и магнитного полей:

  • Аналогом вектора напряженности электрического поля ($\vec{E}$) служит вектор магнитной индукции соответствующего поля ($\vec{B}$).
  • Вектору диэлектрического смещения ($\vec{D}$) электрического поля соответствует вектор напряженности магнитного поля ($\vec{H}$).

Что такое магнитное поле: источники магнитных полей

В данной статье вы узнаете что такое магнитное поле, как его измерить, а так же поговорим про источники магнитных полей и подробно рассмотрим закон Био-Савара-Лапласа.

Определение магнитного поля

Магнитное поле связано с понятием магнитной силы. Знание магнитного поля вокруг объекта (а также внутри него) позволяет нам определить величину силы, действующей на движущийся заряд или магнит, помещенный в его окружение.

Большинство из вас точно знают о магнетизме и знают, что два намагниченных объекта взаимодействуют друг с другом. Мы знаем, что когда мы объединяем два магнита, в зависимости от их взаимного расположения, я могу притягивать (когда противоположные полюса находятся близко друг к другу) или отталкивать (когда одинаковые полюса близко друг к другу). Зная поле от одного магнита и положение другого, вы можете точно рассчитать эту силу.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение Магнитное поле чаще всего представлено графически одним из двух способов:

  1. Магнитное поле, с математической точки зрения, является векторным полем . Это означает, что каждой точке пространства назначен вектор, который мы можем проиллюстрировать стрелкой с правильным направлением и длиной. Направление говорит нам, как бы подходила стрелка магнита, расположенная в данной точке, тогда как длина пропорциональна величине силы, которая будет действовать на находящийся там объект. Желая «увидеть» магнитное поле, мы могли бы просто положить множество крошечных компасов вокруг исследуемого магнита и наблюдать за расположением их стрелок. Тем не менее, мы должны помнить, что это не даст нам информацию о значении поля (насколько оно сильное), а только о его направлении.

2. Другой способ проиллюстрировать магнитное поле — это использовать силовые линии . Вместо того, чтобы рисовать много маленьких стрелок, в этом случае мы используем непрерывные линии. Насколько плотно мы их рисуем, зависит от нас.

Линии поля характеризуются следующими свойствами:

  • Магнитные силовые линии никогда не пересекаются.
  • Плотность линий поля больше в областях, где поле сильнее. Таким образом, на основе чертежа вы можете узнать значение поля (насколько оно сильное) в данной точке.
  • Линии поля не заканчиваются и не начинаются в любой точке; они всегда образуют замкнутые петли, которые проходят через материал, являющийся источником поля.
  • Чтобы полностью проиллюстрировать магнитное поле, необходимо указать возврат, в котором вектор поля направлен в данную точку. Обычно это делается путем рисования стрелок на линиях стрелок. Однако есть еще один метод, который использует понятие полюсов. По историческим причинам область, из которой «выходят» силовые линии, называется Северным полюсом (N), а та, в которую они «входят» — Южным полюсом (S).Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение  В этом правиле линии всегда направлены с севера на юг. Буквы «N» и «S» обычно располагаются по краям магнита, но это всего лишь вопрос принятия — на самом деле ничто не отличает эти крайние точки.
  • Линии поля на самом деле легко показать. Обычно это делается с помощью железных опилок, разбросанных по поверхности (например, по листу бумаги) вокруг магнита. Каждый кусок металла ведет себя как маленький магнит с северным и южным полюсами (и, следовательно, также как магнитная стрелка). Опилки спонтанно удаляются друг от друга, потому что, будучи намагниченными, они отталкивают друг друга. В конечном итоге они образуют узор, представляющий магнитное поле (конечно, конечный эффект немного отличается, в зависимости от того, как распалась стружка, а также от их формы, массы и магнитных свойств).

Как измерить магнитное поле

В связи с тем, что магнитное поле является векторным полем, для того, чтобы полностью его описать, вам нужны как его интенсивность, так и направление. Направление поля относительно легко определить. Просто используйте компас — его стрелка установится в направлении магнитного поля Земли. Магнитные компасы известны и используются в навигации (с использованием магнитного поля Земли) с 11-го века. Измерение значений поля немного сложнее. Первые магнитометры появились только в 19 веке. Большинство из них были основаны на наблюдении за поведением электрона, помещенного в магнитное поле. Точные измерения слабых магнитных полей стали возможными только в 1988 году с открытием явления гигантского магнитосопротивления, которое наблюдалось в некоторых материалах со слоистой структурой. Это явление быстро нашло применение при конструировании жестких дисков, на которых сохраняются данные с компьютеров. Результат был значительным — емкость дисков увеличилась на целые порядки всего за несколько лет с момента появления новой технологии (примерно с 0,01 до 10 GB / см^2 ).Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение 4 G. На практике Гаусс часто используется, потому что поле магнитной индукции, равное 1 тесле, уже очень велико, и мы редко имеем дело с этим порядком величины. Альтернатива магнитной индукции В величина напряженности магнитного поля H. Оба, как векторы, направлены вдоль силовых линий, принимая другие значения внутри магнитных материалов. В некоторых сложных случаях величина H это полезно, но для наших целей B будет вполне достаточно.

Источники магнитных полей

Перейдем теперь к принципам, описывающим метод формирования магнитного поля в окрестности движущихся электрических зарядов и токов. Самая основная зависимость — это закон, описывающий величину и направление магнитного поля, создаваемого движущимся точечным зарядом. Этот закон будет использован позже для получения закона Био — Савара — Лапласа, закона Ампера, закона Гаусса для магнитного поля и создает полезную альтернативную формулировку взаимосвязи между магнитными полями и их источниками.

Экспериментально показано, что значение B снова пропорционально q и 1/r2. Однако направление вектора B НЕ находится на прямой линии между точечным источником и точкой поля. С другой стороны, он перпендикулярен плоскости, определяемой этой прямой и скорости заряда v. Кроме того, значение поля пропорционально синусу угла между этими двумя направлениями

Мы можем записать эту зависимость более компактным способом, используя произведение вектора v на единичный вектор.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение  Мы получаем здесь окончательное выражение в поле B в виде

μ0 — магнитная проницаемость вакуума, которая имеет значение

Когда мы изменяем угол наблюдения поля B на фиксированном расстоянии R от движущегося заряда, тогда изменения могут быть представлены как в анимации:

Поверхности с одинаковым значением и направлением поля B вокруг движущейся нагрузки могут быть представлены в виде системы коаксиальных оболочек

Конечно, не имеет значения, перемещается ли нагрузка относительно наблюдателя или наблюдатель относительно нагрузки. Простое объяснение вышесказанного:

Наэлектризованный кот создает магнитное поле B, когда он проходит мимо вас, а также когда вы проходите мимо спящего кота.

Поверхности с постоянным значением B могут быть представлены более ярко, как показано на анимации ниже

В конце мы можем записать выражение для магнитной силы F, действующей между двумя нагрузками, точка движется относительно наблюдателя от скорости V и V’. Поскольку сила F будет силой Лоренца, в которой поле B исходит от движущегося груза, мы можем написать

Таким образом, искомая сила выражается уравнением

где r — расстояние между двумя движущимися грузами.

Магнитное поле проводника с током

В проводнике с током каждый движущийся электрон создает вокруг себя магнитную «оболочечную» систему. Поскольку эти оболочки расположены близко друг к другу, проводник окружен цилиндрическим полем B. Поверхности с постоянным значением B образуют систему, которая больше не требует оболочек, а только коаксиальных цилиндров.

Направления тока I и вектора B, который генерирует этот ток, соответствуют правилу правой руки: большой палец указывает направление тока, а оставшиеся пальцы показывают, как поле B окружает направляющую

Если проводник с током I делится на бесконечно короткие отрезки длиной d 1 , то в каждом из них заряд dq будет двигаться, а на расстоянии r, магнитное поле этого отрезка тока d, B будет

Источники магнитного поля.

Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение Бесконечный провод, круговой виток. Формулы

В школьной физике в качестве источников магнитного поля рассматриваются постоянные магниты и проводники с током. Если постоянные магниты мы уже рассмотрели, то с проводниками давайте разберёмся в данном разделе. Простейшие формы проводников для расчёта магнитных полей:

  • бесконечный прямолинейный проводник с током
  • круговой виток с током (проводник в форме окружности)

Для каждого из этих проводников можно рассчитать напряжённость магнитного поля в точке.

Итак, движущийся заряд создаёт вокруг себя магнитное поле. Самый простой тип движущегося заряда — это обычный электрический ток. Вопрос только в том, как согнуть проводник:

  • бесконечный прямолинейный проводник с током

Рис. 1. Магнитное поле бесконечного проводника

Итак, возьмём бесконечный прямолинейный проводник с током. Слово «бесконечный» в данном случае небольшое приближение. Так для любой точки, находящейся непосредственно вблизи любого линейного проводника, сам проводник «кажется» бесконечным. Пусть по нашему проводнику течёт ток

(рис. 1). Прямолинейный проводник с током создаёт вихревое (круговое) магнитное поле вокруг себя. Направление вектора магнитной индукции задаётся правилом буравчика (правилом правой руки). Исходя из этого правила, найдём направление вектора (рис. 2).

Рис. 2. Магнитное поле бесконечного проводника (магнитная индукция)

Для подсчёта модуля вектора магнитной индукции поля вне прямолинейного бесконечного проводника с током можно использовать соотношение (рис. 3):

(1)

Рис. 3. Модуль вектора магнитной индукции бесконечного линейного проводника

3D модели рисунков достаточно сложны для рассмотрения, поэтому введены условные обозначения для направлений векторов/токов в трёхмерном пространстве (рис. 4).

Рис. 4. Схематические отображения векторов

Тогда перерисуем рисунок 3, в случае, если мы смотрим сверху провода (рис. 5.1).Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение В этом случае ток течёт на нас, т.е. из рисунка. И в случае, когда мы смотрим на провод снизу вверх (рис. 5.2). В этом случае ток течёт от нас, т.е. внутрь рисунка.

Рис. 5. Поле проводника (вид сверху)

На рисунке 5 точечной линией обозначено магнитное поле прямолинейного тока (оно круговое). Направление вектора магнитной индукции (

) определяется правилом буравчика (правилом правой руки).

Правило буравчика для прямолинейного тока: правой рукой обхватываем проводник с током, отогнутый большой палец сонаправляем с током, тогда согнутые 4 пальца показывают направление вектора магнитной индукции.

  • круговой виток с током (проводник в форме окружности)

Второй вариант системы, в которой достаточно просто рассчитать модуль вектора магнитной индукции, — это круговой виток с током. Т.е. сам проводник с током представляет собой окружность. По данному проводнику ток может течь как по часовой стрелке (рис. 6.1), так и против часовой (рис. 6.2).

Рис. 6. Круговой виток с током

В целом, магнитное поле такого проводника достаточно сложное, однако для центра витка нахождение модуля вектора магнитной индукции не представляет проблем:

(2)

Немного о

— относительной магнитной проницаемости среды. Это параметр, который описывает насколько сама среда воспринимает магнитное поле источника. В целом, это табличная величина.

Правило буравчика для кругового тока: обнимаем правой рукой провод, большой отогнутый палец правой руки направляем по току, тогда загнутые 4 пальца будут указывать направление вектора магнитной индукции.

Важно: для наших систем можно запомнить, что прямолинейный ток создаёт круговое магнитное поле (рис.5), а круговой ток создаёт прямолинейное магнитное поле (рис.6).

Вывод: для поиска модуля вектора магнитной индукции достаточно проанализировать систему в задаче и описать её через модель бесконечного прямолинейного или кругового проводника с током.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

Поделиться ссылкой:

Интересные сведения о магнитном поле Земли: Наука и техника: Lenta.ru

В последние дни на научных информационных сайтах появилось большое количество новостей, посвященных магнитному полю Земли. Например, новость о том, что в последнее время оно существенно изменяется, или о том, что магнитное поле способствует утечке кислорода из земной атмосферы и даже про то, что вдоль линий магнитного поля ориентируются коровы на пастбищах. Что представляет собой магнитное поле и насколько важны все перечисленные новости?

Магнитное поле Земли – это область вокруг нашей планеты, где действуют магнитные силы. Вопрос о происхождении магнитного поля до сих пор окончательно не решен. Однако большинство исследователей сходятся в том, что наличием магнитного поля Земля хотя бы отчасти обязана своему ядру. Земное ядро состоит из твердой внутренней и жидкой наружной частей. Вращение Земли создает в жидком ядре постоянные течения. Как читатель может помнить из уроков физики, движение электрических зарядов приводит к появлению вокруг них магнитного поля.

Одна из самых распространенных теорий, объясняющих природу поля, — теория динамо-эффекта — предполагает, что конвективные или турбулентные движения проводящей жидкости в ядре способствуют самовозбуждению и поддержанию поля в стационарном состоянии.

Землю можно рассматривать как магнитный диполь. Его южный полюс находится на географическом Северном полюсе, а северный, соответственно, на Южном. На самом деле, географический и магнитный полюса Земли не совпадают не только по «направлению». Ось магнитного поля наклонена по отношению к оси вращения Земли на 11,6 градуса. Из-за того что разница не очень существенная, мы можем пользоваться компасом. Его стрелка точно указывает на южный магнитный полюс Земли и почти точно на Северный географический. Если бы компас был изобретен 720 тысяч лет назад, то он бы указывал и на географический и на магнитный северный полюс. Но об этом чуть ниже.

Магнитное поле защищает жителей Земли и искусственные спутники от губительного воздействия космических частиц.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение К таким частицам относятся, например, ионизированные (заряженные) частицы солнечного ветра. Магнитное поле изменяет траекторию их движения, направляя частицы вдоль линий поля. Необходимость наличия магнитного поля для существования жизни сужает круг потенциально обитаемых планет (если мы исходим из предположения, что гипотетически возможные формы жизни похожи на земных обитателей).

Ученые не исключают, что часть планет земного типа не имеют металлического ядра и, соответственно, лишены магнитного поля. До сих пор считалось, что планеты, состоящие из твердых скальных пород, как и Земля, содержат три основных слоя: твердую кору, вязкую мантию и твердое или расплавленное железное ядро. В недавней работе ученые из Массачусетского технологического института предложили сразу два возможных механизма образования «скалистых» планет без ядра. Если теоретические выкладки исследователей подтвердятся наблюдениями, то формулу для расчета вероятности встретить во Вселенной гуманоидов или хотя бы что-то, напоминающее иллюстрации из учебника биологии, придется переписать.

Земляне тоже могут лишиться своей магнитной защиты. Правда, точно сказать, когда это произойдет, геофизики пока не могут. Дело в том, что магнитные полюса Земли непостоянны. Периодически они меняются местами. Не так давно исследователи установили, что Земля «помнит» о смене полюсов. Анализ таких «воспоминаний» показал, что за последние 160 миллионов лет магнитные север и юг менялись местами около 100 раз. Последний раз это событие произошло около 720 тысяч лет назад.

Смена полюсов сопровождается изменением конфигурации магнитного поля. Во время «переходного периода» на Землю проникает существенно больше космических частиц, опасных для живых организмов. Одна из гипотез, объясняющих исчезновение динозавров, утверждает, что гигантские рептилии вымерли именно во время очередной смены полюсов.

Кроме «следов» плановых мероприятий по смене полюсов исследователи заметили в магнитном поле Земли опасные подвижки.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение Анализ данных о его состоянии за несколько лет показал, что в последние месяцы в нем начали происходить опасные изменения. Настолько резких «движений» поля ученые не регистрировали уже очень давно. Вызывающая беспокойства исследователей зона находится в южной части Атлантического океана. «Толщина» магнитного поля в этом районе не превышает трети от «нормальной». Исследователи давно обратили внимание на эту «прореху» в магнитном поле Земли. Собранные за 150 лет данные показывают, что за этот период поле здесь ослабло на десять процентов.

На данный момент трудно сказать, чем это грозит человечеству. Одним из последствий ослабления напряженности поля может стать увеличение (пусть и незначительное) содержания кислорода в земной атмосфере. Связь между магнитным полем Земли и этим газом была установлена с помощью системы спутников Cluster – проекта Европейского космического агентства. Ученые выяснили, что магнитное поле ускоряет ионы кислорода и «выбрасывает» их в космическое пространство.

Несмотря на то, что магнитное поле нельзя увидеть, обитатели Земли хорошо его чувствуют. Перелетные птицы, например, отыскивают дорогу, ориентируясь именно на него. Существует несколько гипотез, объясняющих, как именно они ощущают поле. Одна из последних предполагает, что птицы воспринимают магнитное поле визуально. Особые белки – криптохромы – в глазах перелетных птиц способны менять свое положение под воздействием магнитного поля. Авторы теории считают, что криптохромы могут выполнять роль компаса.

Кроме птиц магнитное поле Земли вместо GPS используют морские черепахи. И, как показал анализ спутниковых фотографий, представленных в рамках проекта Google Earth, коровы. Изучив фотографии 8510 коров в 308 районах мира, ученые заключили, что эти животные предпочтительно ориентируют свои тела с севера на юг (или с юга на север). Причем «реперными точками» для коров служат не географические, а именно магнитные полюса Земли. Механизм восприятия коровами магнитного поля и причины именно такой реакции на него остаются неясными.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

Кроме перечисленных замечательных свойств магнитное поле способствует появлению полярных сияний. Они возникают в результате резких изменений поля, происходящих в удаленных регионах поля.

Магнитное поле не обошли своим вниманием сторонники одной из «теорий заговора» – теории о лунной мистификации. Как уже упоминалось выше, магнитное поле защищает нас от космических частиц. «Собранные» частицы скапливаются в определенных частях поля – так называемых радиационных поясах Ван Алена. Скептики, не верящие в реальность высадок на Луну, считают, что во время пролета сквозь радиационные пояса астронавты получили бы смертельную дозу радиации.

Магнитное поле Земли — удивительное следствие законов физики, защитный щит, ориентир и создатель полярных сияний. Если бы не оно, жизнь на Земле, возможно, выглядела бы совсем иначе. В общем, если бы магнитного поля не было — его необходимо было бы придумать.

Инверсию магнитного поля Земли обвинили в вымирании неандертальцев


«Цепочка наших рассуждений об этом событии выстраивается от находки 2019 года в Новой Зеландии – окаменелого дерева каури. Благодаря исследованию его годичных колец мы уточнили датировку [события Лашамп] и смогли синхронизовать данные от разных источников», – рассказал один из авторов работы, сотрудник СПбГУ и Физико-метеорологической обсерватории Давоса Евгений Розанов.


В центре исследования было так называемое событие Лашамп – кратковременное изменение магнитного поля Земли, датировку которого ученые знали лишь примерно – 41,4±2 тыс. лет назад. Ранее исследователи не знали, как это событие повлияло на жизнь на планете. Окаменевшее дерево каури (Agathis australis), найденное в 2019 году в Новой Зеландии, дало им такую возможность.


Оно застало большую часть события Лашамп, поэтому исследование годовых колец этого дерева рассказало ученым об особенностях окружающей среды той эпохи.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение Исследователи сопоставили эти данные с хроникой изменения магнитного поля, которая сохранилась в горных породах, следами космического излучения во льдах Антарктиды и Гренландии и другими природными факторами. Кроме того, авторы работы воспользовались компьютерной моделью атмосферы нашей планеты.


Они пришли к выводу, что во время события Лашамп магнитное поле Земли уменьшалось в течение примерно полутора тысяч лет. Из-за этого до поверхности планеты добиралось больше космического излучения, чем раньше.


Примерно тем же временем датируются первые образцы наскальной живописи, сделанные охрой. Ученые связывают эти два факта: неандертальцы и Homo sapiens могли чаще прятаться от ультрафиолетового излучения в пещерах, а охру применять сперва для защиты от солнечного света, и уже потом – для отпечатков ладоней и рисунков на стенах пещер.


Другим последствием инверсии магнитных полюсов могло быть вымирание неандертальцев, а также других видов животных и растений.


Некоторые ученые считают, что сейчас северный магнитный полюс движется примерно с той же скоростью, что и во время события Лашамп. Авторы исследования опасаются, что если нечто похожее произойдет в ближайшее время, последствия могут быть катастрофическими, ведь атмосфера Земли и так перенасыщена парниковыми газами. Поэтому они, кроме прочего, призывают снизить выбросы углекислого газа до того, как подобная событию Лашамп катастрофа произойдет снова. 

12: Источники магнитных полей

  1. Последнее обновление
  2. Сохранить как PDF

Без заголовков

В этой главе мы исследуем, как магнитные поля создаются произвольным распределением электрического тока, используя закон Био-Савара.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение Затем мы посмотрим, как токоведущие провода создают магнитные поля, и вычислим силы, возникающие между двумя токоведущими проводами из-за этих магнитных полей. Мы также изучаем крутящие моменты, создаваемые магнитными полями токовых петель. Затем мы обобщаем эти результаты на важный закон электромагнетизма, называемый законом Ампера.

  • 12.1: Введение к источникам магнитных полей
    В предыдущей главе мы видели, что движущаяся заряженная частица создает магнитное поле.Эта связь между электричеством и магнетизмом используется в электромагнитных устройствах, таких как жесткий диск компьютера. Фактически, это основной принцип, лежащий в основе большинства технологий в современном обществе, включая телефоны, телевидение, компьютеры и Интернет.
  • 12.2: Закон Био-Савара
    Мы видели, что масса создает гравитационное поле, а также взаимодействует с этим полем. Заряд создает электрическое поле, а также взаимодействует с этим полем.Поскольку движущийся заряд (то есть ток) взаимодействует с магнитным полем, можно ожидать, что он также создает это поле — и это так.
  • 12.3: Магнитное поле из-за тонкого прямого провода
    Как форма проводов, по которым проходит ток, влияет на форму создаваемого магнитного поля? Мы знаем, что токовая петля создавала магнитное поле, подобное магнитному стержню, но как насчет прямого провода? Мы можем использовать закон Био-Савара, чтобы ответить на все эти вопросы, включая определение магнитного поля длинного прямого провода.
  • 12.4: Магнитная сила между двумя параллельными токами
    Можно ожидать, что два токоведущих провода создают между собой значительные силы, поскольку обычные токи создают магнитные поля, и эти поля оказывают значительные силы на обычные токи. Но вы не могли ожидать, что сила между проводами используется для определения силы тока.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение Вы также можете удивиться, узнав, что эта сила имеет какое-то отношение к тому, почему большие автоматические выключатели сгорают, когда они пытаются прервать большие токи.
  • 12.5: Магнитное поле токовой петли
    Мы можем использовать закон Био-Савара, чтобы найти магнитное поле, обусловленное током. Сначала мы рассмотрим произвольные сегменты на противоположных сторонах петли, чтобы качественно показать с помощью векторных результатов, что чистое направление магнитного поля проходит вдоль центральной оси петли. Отсюда мы можем использовать закон Био-Савара, чтобы получить выражение для магнитного поля.
  • 12.6: Закон Ампера
    Фундаментальное свойство статического магнитного поля состоит в том, что, в отличие от электростатического, оно не является консервативным.Консервативное поле — это поле, которое выполняет одинаковую работу с частицей, движущейся между двумя разными точками, независимо от выбранного пути. Магнитные поля таким свойством не обладают. Вместо этого существует связь между магнитным полем и его источником, электрическим током. Он выражается через линейный интеграл B и известен как закон Ампера.
  • 12.7: Соленоиды и тороиды
    Два наиболее распространенных и полезных электромагнитных устройства называются соленоидами и тороидами.В той или иной форме они являются частью множества инструментов, больших и малых. В этом разделе мы исследуем типичное для этих устройств магнитное поле.
  • 12.8: Магнетизм в материи
    Почему одни материалы магнитны, а другие нет? И почему одни вещества намагничиваются полем, а другие не подвержены влиянию? Чтобы ответить на такие вопросы, нам нужно понимание магнетизма на микроскопическом уровне. Внутри атома каждый электрон движется по орбите и вращается вокруг внутренней оси.Оба типа движения создают токовые петли и, следовательно, магнитные диполи.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение Для конкретного атома чистый магнитный дипольный момент представляет собой векторную сумму магнитных дипольных моментов.
  • 12.A: Источники магнитных полей (ответы)
  • 12.E: Источники магнитных полей (упражнение)
  • 12.S: Источники магнитных полей (Резюме)

геомагнитное поле | Определение, сила и факты

Представление поля

Электрические и магнитные поля создаются фундаментальным свойством материи — электрическим зарядом.Электрические поля создаются зарядами, находящимися в состоянии покоя относительно наблюдателя, тогда как магнитные поля создаются движущимися зарядами. Эти два поля представляют собой разные аспекты электромагнитного поля, которое является силой, заставляющей электрические заряды взаимодействовать. Электрическое поле E в любой точке вокруг распределения заряда определяется как сила на единицу заряда, когда в эту точку помещается положительный испытательный заряд. Для точечных зарядов электрическое поле направлено радиально от положительного заряда в сторону отрицательного заряда.

Магнитное поле создается движущимися зарядами, т. Е. Электрическим током. Магнитная индукция B может быть определена аналогично E как пропорциональная силе на единицу силы полюса, когда испытательный магнитный полюс приближается к источнику намагничивания. Однако чаще его определяют уравнением силы Лоренца. Это уравнение утверждает, что сила, воспринимаемая зарядом q , движущимся со скоростью v, равна F = q (vx B ).

В этом уравнении жирным шрифтом обозначены векторы (величины, которые имеют как величину, так и направление), а жирным шрифтом обозначены скалярные величины, такие как B , длина вектора B.X указывает на перекрестное произведение (то есть вектор, расположенный под прямым углом к ​​v и B, с длиной v B sin θ).Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение Тета — это угол между векторами v и B. (B обычно называют магнитным полем, несмотря на то, что это название зарезервировано для величины H, которая также используется при изучении магнитных полей). Для простого линейного тока. вокруг тока поле имеет цилиндрическую форму. Смысл поля зависит от направления тока, который определяется как направление движения положительных зарядов.Правило правой руки определяет направление B, утверждая, что оно указывает в направлении пальцев правой руки, когда большой палец указывает в направлении тока.

В Международной системе единиц (СИ) электрическое поле измеряется скоростью изменения потенциала, вольт на метр (В / м). Магнитные поля измеряются в единицах тесла (Тл). Тесла — это большая единица для геофизических наблюдений, и обычно используется меньшая единица, нанотесла (нТл; одна нанотесла равна 10 −9 тесла).Нанотесла эквивалентна одной гамме, единице, первоначально определенной как 10 −5 гаусс, которая является единицей магнитного поля в системе сантиметр-грамм-секунда. И гаусс, и гамма все еще часто используются в литературе по геомагнетизму, хотя они больше не являются стандартными единицами измерения.

И электрическое, и магнитное поля описываются векторами, которые могут быть представлены в различных системах координат, таких как декартова, полярная и сферическая. В декартовой системе вектор разбивается на три компонента, соответствующие проекциям вектора на три взаимно ортогональные оси, которые обычно обозначаются как x , y , z .В полярных координатах вектор обычно описывается длиной вектора в плоскости x y , его азимутальным углом в этой плоскости относительно оси x и третьей декартовой компонентой z . В сферических координатах поле описывается длиной вектора полного поля, полярным углом этого вектора от оси z и азимутальным углом проекции вектора в плоскости x y . В исследованиях магнитного поля Земли широко используются все три системы.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

Номенклатура, используемая при изучении геомагнетизма для различных компонентов векторного поля, кратко представлена ​​на рисунке. B — векторное магнитное поле, а F — величина или длина B. X , Y и Z — три декартовых компонента поля, обычно измеряемых относительно географической системы координат. X — север, Y — восток, и, завершая правостороннюю систему, Z — вертикально вниз к центру Земли.Величина поля, проецируемого в горизонтальной плоскости, называется H . Эта проекция составляет угол D (для склонения), измеренный положительным с севера на восток. Угол наклона, I (для наклона), представляет собой угол, который общий вектор поля составляет по отношению к горизонтальной плоскости, и является положительным для векторов ниже плоскости. Это дополнение к обычному полярному углу сферических координат. (Географический и магнитный север совпадают по «агонической линии.”)

Компоненты вектора магнитной индукции B показаны в трех системах координат: декартовой, полярной и сферической.

Британская энциклопедия, Inc.

Что такое магнетизм? | Магнитные поля и магнитная сила

Магнетизм — это один из аспектов комбинированной электромагнитной силы. Это относится к физическим явлениям, возникающим из-за силы, вызванной магнитами, объектами, которые создают поля, которые притягивают или отталкивают другие объекты.

Магнитное поле воздействует на частицы в поле за счет силы Лоренца, согласно веб-сайту HyperPhysics Университета штата Джорджия.Движение электрически заряженных частиц порождает магнетизм. Сила, действующая на электрически заряженную частицу в магнитном поле, зависит от величины заряда, скорости частицы и силы магнитного поля.

Все материалы обладают магнетизмом, некоторые сильнее, чем другие. Постоянные магниты, сделанные из таких материалов, как железо, испытывают сильнейшее воздействие, известное как ферромагнетизм.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение За редким исключением, это единственная форма магнетизма, достаточно сильная, чтобы ее могли почувствовать люди.

Противоположности притягиваются

Магнитные поля генерируются вращающимися электрическими зарядами, согласно HyperPhysics. Все электроны обладают свойством углового момента или спина. Большинство электронов имеют тенденцию образовывать пары, в которых один из них имеет «спин вверх», а другой — «спин вниз», в соответствии с принципом исключения Паули, который гласит, что два электрона не могут находиться в одном и том же энергетическом состоянии одновременно. В этом случае их магнитные поля направлены в противоположные стороны, поэтому они компенсируют друг друга.Однако некоторые атомы содержат один или несколько неспаренных электронов, спин которых может создавать направленное магнитное поле. По данным Ресурсного центра неразрушающего контроля (NDT), направление их вращения определяет направление магнитного поля. Когда значительное большинство неспаренных электронов выровнены своими спинами в одном направлении, они объединяются, чтобы создать магнитное поле, достаточно сильное, чтобы его можно было почувствовать в макроскопическом масштабе.

Источники магнитного поля биполярные, с северным и южным магнитными полюсами.По словам Джозефа Беккера из Университета Сан-Хосе, противоположные полюса (северный и южный) притягиваются, а подобные полюса (северный и северный, или южный и южный) отталкиваются. Это создает тороидальное поле или поле в форме пончика, поскольку направление поля распространяется наружу от северного полюса и входит через южный полюс.

Земля сама по себе представляет собой гигантский магнит. Согласно HyperPhysics, планета получает свое магнитное поле от циркулирующих электрических токов внутри расплавленного металлического ядра. Компас указывает на север, потому что маленькая магнитная стрелка в нем подвешена, так что он может свободно вращаться внутри своего корпуса, выравниваясь с магнитным полем планеты.Как ни парадоксально, то, что мы называем Северным магнитным полюсом, на самом деле является южным магнитным полюсом, потому что он притягивает северные магнитные полюса стрелок компаса.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

Ферромагнетизм

Если выравнивание неспаренных электронов сохраняется без приложения внешнего магнитного поля или электрического тока, образуется постоянный магнит. Постоянные магниты — результат ферромагнетизма. Приставка «ферро» относится к железу, потому что постоянный магнетизм впервые наблюдался в форме естественной железной руды, называемой магнетитом, Fe 3 O 4 .Кусочки магнетита можно найти разбросанными на поверхности земли или вблизи нее, и иногда они намагничиваются. Эти встречающиеся в природе магниты называются магнитными камнями. «Мы до сих пор не уверены в их происхождении, но большинство ученых считают, что магнитный камень — это магнетит, в который попала молния», — говорится в сообщении Университета Аризоны.

Вскоре люди узнали, что можно намагнитить железную иглу, поглаживая ее магнитом, в результате чего большинство неспаренных электронов в игле выстраиваются в одном направлении.По данным НАСА, примерно в 1000 году нашей эры китайцы обнаружили, что магнит, плавающий в чаше с водой, всегда выстраивался в направлении север-юг. Таким образом, магнитный компас стал огромным помощником в навигации, особенно днем ​​и ночью, когда звезды были скрыты облаками.

Было обнаружено, что другие металлы, помимо железа, обладают ферромагнитными свойствами. К ним относятся никель, кобальт и некоторые редкоземельные металлы, такие как самарий или неодим, которые используются для создания сверхпрочных постоянных магнитов.

Другие формы магнетизма

Магнетизм принимает множество других форм, но, за исключением ферромагнетизма, они обычно слишком слабы, чтобы их можно было наблюдать за исключением чувствительных лабораторных приборов или при очень низких температурах. Диамагнетизм был впервые открыт в 1778 году Антоном Бругнамсом, который использовал постоянные магниты в поисках материалов, содержащих железо. По словам Джеральда Кюстлера, широко публикуемого независимого немецкого исследователя и изобретателя, в его статье «Диамагнитная левитация — исторические вехи», опубликованной в Румынском журнале технических наук, Бругнамс заметил: «Только темный и почти фиолетовый висмут проявлял конкретное явление в исследовании; когда я положил его кусок на круглый лист бумаги, плавающий на воде, он оттолкнулся обоими полюсами магнита.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

Было установлено, что висмут обладает самым сильным диамагнетизмом из всех элементов, но, как обнаружил Майкл Фарадей в 1845 году, это свойство всей материи отталкиваться магнитным полем.

Диамагнетизм вызван орбитальным движением электронов, создающих крошечные токовые петли, которые создают слабые магнитные поля, согласно HyperPhysics. Когда к материалу прикладывается внешнее магнитное поле, эти токовые петли имеют тенденцию выравниваться таким образом, чтобы противостоять приложенному полю.Это заставляет все материалы отталкиваться постоянным магнитом; однако результирующая сила обычно слишком мала, чтобы быть заметной. Однако есть некоторые заметные исключения.

Пиролитический углерод, вещество, похожее на графит, демонстрирует даже более сильный диамагнетизм, чем висмут, хотя и только вдоль одной оси, и фактически может левитировать над сверхсильным редкоземельным магнитом. Некоторые сверхпроводящие материалы демонстрируют еще более сильный диамагнетизм ниже своей критической температуры, поэтому над ними можно левитировать редкоземельные магниты.(Теоретически из-за их взаимного отталкивания один может левитировать над другим.)

Парамагнетизм возникает, когда материал временно становится магнитным при помещении в магнитное поле и возвращается в немагнитное состояние, как только внешнее поле удаляется. При приложении магнитного поля некоторые из неспаренных электронных спинов выравниваются с полем и преодолевают противоположную силу, создаваемую диамагнетизмом. Однако, по словам Дэниела Марша, профессора физики Южного государственного университета Миссури, эффект заметен только при очень низких температурах.

Другие, более сложные формы включают антиферромагнетизм, при котором магнитные поля атомов или молекул выстраиваются рядом друг с другом; и поведение спинового стекла, которое включает как ферромагнитные, так и антиферромагнитные взаимодействия. Кроме того, ферримагнетизм можно рассматривать как комбинацию ферромагнетизма и антиферромагнетизма из-за множества общих черт между ними, но, по данным Калифорнийского университета в Дэвисе, он все же имеет свою уникальность.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

Электромагнетизм

Когда провод перемещается в магнитном поле, поле индуцирует в проводе ток.И наоборот, магнитное поле создается движущимся электрическим зарядом. Это соответствует закону индукции Фарадея, который лежит в основе электромагнитов, электродвигателей и генераторов. Заряд, движущийся по прямой линии, как по прямому проводу, создает магнитное поле, которое вращается вокруг провода по спирали. Когда этот провод превращается в петлю, поле приобретает форму пончика или тора. Согласно Руководству по магнитной записи (Springer, 1998) Marvin Cameras, это магнитное поле можно значительно усилить, поместив ферромагнитный металлический сердечник внутрь катушки.

В некоторых приложениях постоянный ток используется для создания постоянного поля в одном направлении, которое можно включать и выключать вместе с током. Это поле может затем отклонить подвижный железный рычаг, вызывая слышимый щелчок. Это основа для телеграфа, изобретенного в 1830-х годах Сэмюэлем Ф. Б. Морзе, который позволял осуществлять связь на большие расстояния по проводам с использованием двоичного кода, основанного на импульсах большой и малой длительности. Импульсы посылались опытными операторами, которые быстро включали и выключали ток с помощью подпружиненного переключателя с мгновенным контактом или ключа.Другой оператор на принимающей стороне затем переводил слышимые щелчки обратно в буквы и слова.

Катушка вокруг магнита также может перемещаться по шаблону с изменяющейся частотой и амплитудой, чтобы индуцировать ток в катушке. Это основа для ряда устройств, в первую очередь для микрофона. Звук заставляет диафрагму двигаться внутрь и наружу с волнами переменного давления. Если диафрагма соединена с подвижной магнитной катушкой вокруг магнитопровода, она будет производить переменный ток, аналогичный падающим звуковым волнам.Затем этот электрический сигнал может быть усилен, записан или передан по желанию. Крошечные сверхсильные магниты из редкоземельных элементов сейчас используются для изготовления миниатюрных микрофонов для сотовых телефонов, сообщил Марш Live Science.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

Когда этот модулированный электрический сигнал подается на катушку, он создает колеблющееся магнитное поле, которое заставляет катушку входить и выходить по магнитному сердечнику по той же схеме. Затем катушка прикрепляется к подвижному диффузору динамика, чтобы он мог воспроизводить слышимые звуковые волны в воздухе.Первым практическим применением микрофона и динамика был телефон, запатентованный Александром Грэмом Беллом в 1876 году. Хотя эта технология была усовершенствована и усовершенствована, она все еще является основой для записи и воспроизведения звука.

Применения электромагнитов почти бесчисленны. Закон индукции Фарадея формирует основу для многих аспектов нашего современного общества, включая не только электродвигатели и генераторы, но и электромагниты всех размеров. Тот же принцип, который используется гигантским краном для подъема старых автомобилей на свалку металлолома, также используется для выравнивания микроскопических магнитных частиц на жестком диске компьютера для хранения двоичных данных, и каждый день разрабатываются новые приложения.

Штатный писатель Таня Льюис внесла свой вклад в этот отчет.

Дополнительные ресурсы

Источники магнитного поля

Источники магнитного поля

Авторские права © Майкл Ричмонд.
Эта работа находится под лицензией Creative Commons License.

Эта лекция основана на Serway, разделах 30.1–30.3.
Он охватывает некоторые способы расчета магнитного поля.
создается током, протекающим по проводу.

  • Между электрическим и магнитным
    поля — вы увидите их здесь и в ближайшие недели.
  • Магнитные поля могут создаваться током, проходящим через проводник.
  • Закон Био-Савара описывает магнитное поле из-за крошечной
    участок тока, на некотором расстоянии от провода.
  • Закон Био-Савара можно полностью интегрировать
    провод, чтобы рассчитать полное магнитное поле, которое он генерирует.
    Интеграл может быть сложным и трудным.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение
  • В некоторых ситуациях с сильной симметрией можно использовать
    Закон для расчета силы создаваемого магнитного поля
    током, протекающим по проводнику.
  • Закон Ампера связывает интеграл магнитного поля, отмеченный точками
    смещение по петле до величины текущего бега
    в проводах, проходящих через петлю.
  • Закон Ампера является аналогом (в двух измерениях) закона Гаусса (в трех измерениях).
    размеры): оба связывают свойства поля и поверхности
    (или петля) к количеству материала на поверхности (или петле).
  • Один провод, по которому проходит ток, создает магнитное поле; если есть
    еще один провод, по которому течет ток, магнитное поле
    будет оказывать на него силу.
  • Если два провода проводят ток в одном и том же направлении, магнитная сила
    сближает их; если они переносят ток в противоположных направлениях,
    магнитная сила раздвигает их.
  • Сила силы между проводами, по которым проходит ток, уменьшается
    как обратное расстояние между ними.


Viewgraph 1

Viewgraph 2

Viewgraph 3

Viewgraph 4

Viewgraph 5

Viewgraph 6

Viewgraph 7

Viewgraph 8

Viewgraph 9

Viewgraph 10

Viewgraph 11

Viewgraph 12

Viewgraph 13

Viewgraph 14

Viewgraph 15

Viewgraph 16

Viewgraph 17

Viewgraph 18

Авторские права © Майкл Ричмонд.Эта работа находится под лицензией Creative Commons License.

3. Каковы источники статических магнитных полей?

Геомагнитное поле
колеблется на поверхности Земли примерно от 35 до 70
мкТл
и участвует в ориентации и миграционном поведении
определенные виды животных.
Рукотворный
статические магнитные поля
генерируется везде, где DC
используются токи, такие как
в некоторых транспортных системах, работающих от электричества,
промышленные процессы, такие как производство алюминия и газ
сварка.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение Магнитный поток
сообщалось о плотности до 2 мТл внутри
электрички и в
развивающие системы магнитной левитации (MagLev). Рабочие
подвергается воздействию больших полей
примерно до 60 мТл в
электролитическое восстановление
оксида алюминия, а электродуговая сварка дает около 5 мТл на 1 см
от сварочных кабелей.

Появление
сверхпроводники в
1970-е и 1980-е годы способствовали использованию гораздо более крупных
магнитные поля в медицине
диагностика через развитие
Магнитно-резонансная томография
(МРТ) и спектроскопия
(MRS) 1 и
ядерный магнитный резонанс
(ЯМР) для исследований.это
По оценкам, было выполнено около 200 миллионов МРТ.
Мировой. В
статическое магнитное поле МРТ
сканеры в обычных клинических системах производятся
постоянные магниты,
сверхпроводящие магниты и их комбинации в диапазоне
0,2 — 3 Тл. В исследовательских приложениях более высокие магнитные поля увеличиваются.
до 9,4 Тл используются для сканирования всего тела пациента. Бродячий
магнитные поля вокруг магнитов для МРТ-исследований хорошо
определены и могут быть минимизированы в экранированном
магнитные версии.С точки зрения
экспозиции, на
пульта оператора плотность магнитного потока обычно составляет около
0,5 мТл, но может быть и выше. Однако профессиональное облучение до
и превышение 1 Т может произойти во время строительства и испытаний
этих устройств, а также во время медицинских процедур, проводимых в
интервенционная МРТ. Различные исследования физики и высоких энергий
технологии также используют сверхпроводники, где рабочие могут быть
подвергается регулярно и в течение
длительные периоды на поля до 1.5 Т.

Что такое электрон? Что такое свет?

Получено из магнитных полей, создаваемых токами: закон Ампера с помощью OpenStax

Как и раньше, я НЕ жду, что вы полностью поймете все в этом разделе. Надеюсь, вы:

  • Напоминаем, что движущиеся заряды (т. Е. Токи) в конечном итоге являются источником всех магнитных полей
  • Напоминаем, что силовые линии магнитного поля движутся по замкнутым контурам.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение
  • Как рассчитать величину магнитного поля на некотором расстоянии от прямого провода

Какой ток нужен для создания значительного магнитного поля, возможно, такого же сильного, как поле Земли? Геодезисты скажут вам, что воздушные линии электропередач создают магнитные поля, которые мешают показаниям их компаса.Действительно, когда Эрстед в 1820 году обнаружил, что ток в проводе воздействует на стрелку компаса, он не имел дела с очень большими токами. Как форма проводов, по которым проходит ток, влияет на форму создаваемого магнитного поля? Ранее мы отметили, что токовая петля создает магнитное поле, подобное магнитному полю, но как насчет прямого провода или тороида (бублика)? Как направление создаваемого током поля связано с направлением тока? Ответы на эти вопросы исследуются в этом разделе вместе с кратким обсуждением закона, регулирующего поля, создаваемые токами.

Магнитное поле, создаваемое длинным прямым токопроводящим проводом: Правило правой руки 2

Магнитные поля имеют направление и величину. Как отмечалось ранее, один из способов исследовать направление магнитного поля — это использовать компасы, как показано для длинного прямого токоведущего провода на рисунке 1. Датчики Холла могут определять величину поля. Поле вокруг длинной прямой проволоки находится в виде кольцевых петель. Правило правой руки 2 (RHR-2) возникло в результате этого исследования и применимо для любого текущего сегмента — указывает большим пальцем в направлении тока, и пальцы сгибаются в направлении петель магнитного поля , созданных Это.

Рис. 1. (a) Компасы, помещенные рядом с длинным прямым токоведущим проводом, показывают, что силовые линии образуют круговые петли с центром на проводе. (b) Правило 2 правой руки гласит, что если большой палец правой руки указывает в направлении тока, пальцы сгибаются в направлении поля. Это правило согласуется с полем, отображаемым для длинного прямого провода, и действительно для любого текущего сегмента.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение

Напряженность (величина) магнитного поля , создаваемая длинным прямым проводом с током , экспериментально определена как

Я хотел бы, чтобы вы могли использовать приведенное выше уравнение для получения числового значения.

где — ток, — кратчайшее расстояние до провода, а константа — проницаемость свободного пространства . (одна из основных констант в природе. Позже мы увидим, что она связана со скоростью света). Поскольку провод очень длинный, величина поля зависит только от расстояния от провода, а не от положения вдоль провода. .

Найдите ток в длинном прямом проводе, который создаст магнитное поле, вдвое превышающее земное, на расстоянии 5.0 см от проволоки.

Стратегия

Поле Земли примерно так, здесь из-за проволоки принято. Уравнение можно использовать для поиска, так как все остальные величины известны.

Решение

Поиск и ввод известных значений дает

Обсуждение

Таким образом, умеренно большой ток создает значительное магнитное поле на расстоянии 5,0 см от длинного прямого провода.Обратите внимание, что ответ состоит только из двух цифр, поскольку поле Земли в этом примере указано только из двух цифр.

Закон Ампера и другие

Магнитное поле длинного прямого провода имеет большее значение, чем вы можете сначала подумать. Каждый сегмент тока создает магнитное поле, подобное тому, которое имеет длинный прямой провод, а полное поле тока любой формы является векторной суммой полей, создаваемых каждым сегментом. Формальное определение направления и величины поля, создаваемого каждым сегментом, называется законом Био-Савара .Интегральное исчисление необходимо для суммирования поля для тока произвольной формы. Это приводит к более полному закону, называемому закон Ампера , который связывает магнитное поле и ток в общем виде.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение Закон Ампера, в свою очередь, является частью уравнений Максвелла , которые дают полную теорию всех электромагнитных явлений. Рассмотрение того, как уравнения Максвелла выглядят для разных наблюдателей, привело к современной теории относительности и к осознанию того, что электрические и магнитные поля являются разными проявлениями одного и того же.Большая часть этого выходит за рамки этого текста как на математическом уровне, требующем вычислений, так и в объеме места, которое может быть отведено под него. Но для заинтересованного студента, и особенно для тех, кто продолжает заниматься физикой, инженерией или подобными занятиями, дальнейшее углубление в эти вопросы откроет описания природы, как элегантные, так и глубокие. В этом тексте мы будем иметь в виду общие особенности, такие как RHR-2 и правила для линий магнитного поля, перечисленные в разделе «Магнитные поля» и «Линии магнитного поля», концентрируясь при этом на полях, создаваемых в определенных важных ситуациях.

Слушая все, что мы делаем об Эйнштейне, у нас иногда создается впечатление, что он из ничего изобрел теорию относительности. Напротив, одной из мотиваций Эйнштейна было решить трудности, связанные с пониманием того, как разные наблюдатели видят магнитные и электрические поля.

Сводка раздела

  • Напряженность магнитного поля, создаваемого током в длинном прямом проводе, определяется как

,

где — ток, — кратчайшее расстояние до провода, а константа — проницаемость свободного пространства.

  • Направление магнитного поля, создаваемого длинным прямым проводом, определяется правилом правой руки 2 (RHR-2): Направьте большой палец правой руки в направлении тока, а пальцы согнуты в направлении петли магнитного поля , созданные им.
  • Магнитное поле, создаваемое током, идущим по любому пути, является суммой (или интегралом) полей, создаваемых сегментами вдоль пути (величина и направление, как для прямого провода), что приводит к общему соотношению между током и полем, известному как закон Ампера.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение .

13. Магнитные поля от линий электропередачи.

14. Магнитные поля в машине.

Обследование жилых источников магнитного поля. Том 1, Цели, результаты и выводы: Заключительный отчет (Технический отчет)


Заффанелла, Л. Э. Обзор источников магнитного поля в жилых помещениях. Том 1, Цели, результаты и выводы: Заключительный отчет . США: Н. П., 1993.
Интернет.


Заффанелла, Л. Э. Обзор источников магнитного поля в жилых помещениях. Том 1, Цели, результаты и выводы: Заключительный отчет . Соединенные Штаты.


Заффанелла, Л. Э. Ср.
«Исследование источников магнитного поля в жилых помещениях. Том 1, Цели, результаты и выводы: Заключительный отчет».Соединенные Штаты.

@article {osti_10189706,
title = {Обзор источников магнитного поля в жилых помещениях. Том 1, Цели, результаты и выводы: Заключительный отчет},
author = {Zaffanella, L E},
abstractNote = {Исследовательский институт электроэнергетики провел общенациональное исследование для сбора инженерных данных об источниках и уровнях магнитных полей промышленной частоты, существующих внутри жилых домов.Примерно 1000 жилых домов были отобраны для исследования случайным образом. Целями этой программы были: (1) выявить все значимые источники магнитного поля 60 Гц в жилых домах, (2) оценить для каждого источника процент жилых домов, в которых магнитные поля превышают указанные уровни, (3) определить взаимосвязь между магнитное поле и параметры источника и (4) для характеристики вариаций поля в пространстве и времени. Исследование не предназначалось для измерения воздействия магнитных полей на людей и не может быть интерпретировано как таковое.Источники магнитного поля: Магнитное поле. Источники и свойства. Правила и применение